(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物を接触加熱するべくホルダの先端部にセラミックス製のヘッドを備えてなり、該ヘッドは上記ホルダに対して出入自在で、且つ被加熱物を押圧し接触加熱する際に、上記ヘッドの上面とホルダが当接するように構成したことを特徴とする接触加熱用ヒータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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、被加熱物に接触して加熱するようにしたヒータに関する。
【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では、図６に示す如く多層パッケージの基板２０上に半導体チップ２１を載置して、その上面からボンディング用ヒータ１０のヘッド１１で加熱しながら押圧することによって、接合を行っている。この時、両者に備えた半田バンプ２２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。
【０００４】
このようなボンディング用ヒータ１０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も用いられていた。これは、図６に示すボンディング用ヒータ１０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２１と当接させるヘッド１１とし、後端側を他部材と結合するホルダ１３とし、側面もしくは内部にＡｇ−Ｐｄ、Ｐｔ−Ｐｄ等の発熱体（不図示）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（厚膜式セラミックヘッド）。このようなボンディング用ヒータ１０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を介して接着材まで効率良く伝える必要がある。
【０００５】
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、半導体チップ２１を接合する際には、熱と同時に圧力も加えるため、ボンディング用ヒータ１０のヘッド１１には機械的強度や耐摩耗性、あるいは靱性が要求される。しかし、上記厚膜式セラミックヘッドの場合、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、発熱体の熱がホルダ１３側に逃げやすく、ヘッド１１側の加熱効率が悪いと言う問題があった。さらに、厚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。また、ヘッド１１を成す窒化アルミニウム質セラミックスは靱性が低いために欠けやすいという問題もあった。
【０００６】
そこで、近年、図７に示すように、ホルダ３を低熱伝導セラミックスで構成し、他方、発熱体２ａを内部に設けた発熱部２に高熱伝導セラミックスからなる伝熱部１ａを接合してヘッド１となし、このヘッド１を上記ホルダ３に凹部３ｂが形成されるように固定したボンディング用ヒータ１０が開発された。このボンディング用ヒータ１０を使用する場合は、発熱体２ａに通電発熱した状態で、ヘッド１の伝熱部１ａを加熱したまま半導体チップに押し当てて、基板上に半田バンプで接合するようにしたものであり、このヒータ１０は発熱部２とホルダ３をセラミックで構成し、加熱効率を向上せしめるよう意図したものであった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来技術は非常に有効なものであったが、生産効率に難があり、また、所要温度までの昇温時間をさらに大幅に短くしようとする場合には以下のような課題があった。
【０００８】
すなわち、伝熱により放熱がし難いように工夫をしているとはいえ、ヘッドとホルダの当接面積が広いので立ち上がりに時間がかかる。そこで、これを無理に早めようとしてヘッドに大電力を投入した場合、多量の熱がホルダに伝搬してしまいホルダを介して装置本体へも伝わる。そのため装置本体が熱膨張により変形しチップに対するヘッドの平行度に狂いが生じて最終製品に影響を及ぼす恐れがあった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、発熱体の熱を伝えるためのセラミックス製のヘッドを上記ホルダに対して出入自在とし、且つ被加熱物を押圧し接触加熱する際に、上記ヘッドの上面とホルダが当接するようにヘッドをホルダに装着してなる接触加熱用ヒータを提供せんとするものである。
【００１０】
【作用】
上記の如き本発明によれば、上記セラミックス製のヘッドが上記ホルダに対して出入自在であるので、上記ヘッドを加温する際にヘッド上面がホルダと非接触であるようにヘッドを出しておくことによってヘッドはその側面と下面の縁部の狭い領域でのみホルダーと当接し、これによりホルダーへの放熱が最小限に抑えられるので加温時間が大きく短縮される。
【００１１】
また、半導体チップを押圧し接触加熱する間、ヘッドの上面がホルダに当接し、ホルダがヘッドを上からしっかりと抑えつけるのでヘッドの平行度を正確に保つことができ、さらに、押圧状態で冷却する際には、ヘッド上面がホルダに当接した状態、すなわち広い領域で当接するので、ヘッドの熱が適量ホルダに伝搬し、その作用により冷却に必要な時間も短い。なお、冷却時は加温時と比べて相対的に熱量が小さいので、ヘッド上面がホルダに当接していてもホルダへの熱の伝搬量は装置に悪影響を与える程度にはならない。
【００１２】
以上のように、ヒーターの熱が装置本体へ大量に伝わることを防ぐことができ、加熱効率が良く、これにより生産効率を大幅に向上せしめる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態をボンディング用ヒータを例にとって図により説明する。
【００１４】
図１に本発明のボンディング用ヒータ（以下、ヒータと略称する）１０の端面図を示し、このヒータ１０は、低熱伝導セラミックスからなるホルダ３に凹部３ｂを形成し、一方、発熱体２ａを埋設したセラミック製の発熱部２に高熱伝導セラミックスからなる伝熱部１ａを接合したヘッド１を上記ホルダ３の凹部３ｂに嵌合保持したものである。そして、上記ヘッド１はホルダ３に対して出入自在（図１の場合は昇降動自在とも言える）であり、且つヘッド１の動きに伴ってヘッド上面２ｂと、ホルダ３側の該上面２ｂとの当接面３ｃとの間に隙間ｓが生じるようになっている。
【００１５】
ところで、このヒーター１０の使用方法を説明するに、図１のようにヘッド上面２ｂとホルダー３の当接面３ｃが十分離れた状態で発熱体２ａに通電発熱を開始し、ヘッド１が昇温してから、図２に示すようにヘッド１先端の当接面１ａを半導体チップ２１に押し当てて、接触加熱し、基板２０上に半田バンプ２２で接合する。この時、ヘッド１の上面２ｂと装置本体のホルダ３の当接面３ｃが当接するまでヘッド１が奥方に移動し、ホルダ３がヘッド１を上からしっかりと抑えつけるのでヘッド１が平行度を失うことはない。そして、この状態のまま通電発熱を停止し、ヘッド１を冷却した後、上述の図１の位置にヒータ１０を戻すことにより、１サイクルの作業が終了する。
【００１６】
すなわち、このヒーター１０によれば、電力投入時（通電発熱開始時）にヘッド１がその摺動面４（側面）と下面の縁部の極めて狭い領域のみでとホルダー３と当接し且つホルダ３が低熱伝導セラミックスからなるので、ホルダ３に熱が伝わりにくい。しかも、ヘッド１は高熱伝導セラミックスからなるため、急速昇温が可能であり且つ発熱部２ａからの熱をヘッド１の先端から被接触物に良好に伝えることができる。なお、ヘッド１およびホルダ３はセラミックスからなるので耐摩耗性に優れ、摩耗や変形することなく長期間使用することができる。さらにまた、半導体チップを押圧する間、ヘッド１の上面２ｂがホルダ３に当接し、ホルダ３がヘッド１を上からしっかりと抑えつけるのでヘッド１の平行度を正確に保つことができ、さらに、押圧状態で冷却する際には、ヘッド上面２ｂがホルダ３に当接した状態、すなわち広い領域で当接するので、ヘッド１の熱が適量ホルダ３に伝搬し、その作用により冷却に必要な時間も短い。なお、冷却時は加温時と比べて相対的に熱量が小さいので、ヘッド上面２ｂがホルダ３に当接していてもホルダ３への熱の伝搬量は装置に悪影響を与える程度にはならない。
【００１７】
図３は、本発明の別実施形態を示し、同図に示すようにヒータ１０はヘッド１の摺動面４とホルダー３の間にベアリング５を介在させたものであり、望ましくない位置ずれを防止したり、断熱の効果がある。
【００１８】
また、ヘッド１の摺動面４に凹凸面を形成することにより断熱効果を得ることができる他、摺動部分に窒化硼素等の摺動性粉末を塗布することにより摺動性を高めることができる。
【００１９】
上記高熱伝導セラミックとしては、高熱伝導窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素等のセラミックスがある。高熱伝導窒化珪素質セラミックスは、窒化珪素（Ｓｉ３  Ｎ４  ）を主成分とし、周期律表第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、窒化珪素結晶の平均粒径を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以上としたものでなどがある。
【００２０】
なお、窒化アルミニウム質セラミックスは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とし、焼結助剤として希土類元素酸化物等を含有するものである。さらに炭化珪素質セラミックスは、炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とし、Ｂ、Ｃ又はＡｌ２  Ｏ３  、Ｙ２  Ｏ３  等の焼結助剤を含有するものである。
これに対して、上記低熱伝導セラミックとしては、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、その他さまざまなセラミックスを用いることができる。
【００２１】
低熱伝導窒化珪素質セラミックスは、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するものである。またアルミナセラミックスは、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  等を安定化剤として含有するものなどがある。
【００２２】
また、ヘッド上面２ｂと、ホルダ３側の該上面２ｂとの当接面３ｃとの間の前記隙間ｓの高さｈ１は２〜６ｍｍの範囲内であることが好ましい。この高さｈ１が２ｍｍより小さい場合には、ヘッド１の上面２ｂからの放射熱がホルダー３に多く伝搬する恐れがあり、他方、６ｍｍより大きいとホルダー３の下端部の強度が不十分となる恐れがある。
【００２３】
さらに、ヘッド１の摺動面４の高さｈ２としては２〜６ｍｍの範囲内であることが好ましい。この高さｈ２が２ｍｍ以下の場合、ヘッド１が傾きホルダー３の凹部内で引っ掛かってしまう恐れがあり、他方、６ｍｍより大きいとヘッド１の体積が大きく加熱効率が悪くなる傾向があるためである。
【００２４】
実施例
上記隙間ｓの高さｈ１、ヘッド１の摺動面４の高さｈ２ともに５ｍｍとして図１に示すヒーター１０を作製した。
【００２５】
なお、ヒーター１０を構成するセラミック材としては京セラ■製の窒化ケイ素材種をそれぞれ用い、伝熱体１ａにＳＮ２８１材種、発熱体にＳＮ３６２材種、そしてホルダー３にＳＮ２２０材種で用いた。このうち、ＳＮ２８１およびＳＮ３６２材種は前記高熱伝導セラミックに該当し、残るＳＮ２２０材種は前記低熱伝導セラミックに該当するものである。
【００２６】
このヒータ１０を装置本体に実装し、図１のようにヘッド１が降りた状態で電力（１０００Ｗ，１５００Ｗ，２０００Ｗ）を投入し、立ち上がり時間とヘッド１の先端中央部位での温度とを測定した。その結果を図４に示す。
【００２７】
また、図２のようにヘッド１が昇った状態で同様に立ち上がり時間とヘッド１の先端中央部位での温度とを測定した。その結果を図５に示す。
【００２８】
図４及び図５から明らかなように、図１のようにヘッド１が降りた状態での加熱効率が図２のようにヘッド１が昇った状態よりも顕著に良かった。これは、図１の状態ではヘッド１からホルダ３への熱伝搬が少なかったことを意味するものであり、本発明のヒーター１０はこの状態で電力投入することから、本発明の有効性を確認できるものである。
【００２９】
【発明の効果】
叙上のように、本発明によれば被加熱物を接触加熱するためのセラミックス製のヘッドを装置本体のホルダに対して出入自在とし、ヘッドを加温する際にはヘッド上面とホルダとの間に隙間が生じるとともに被加熱物を押圧し接触加熱する際には上記ヘッドの上面とホルダが当接するるようにヒーターを構成したので、上記ヘッドを加温する際にヘッドが狭い領域でのみホルダーと当接し、これによりホルダーへの放熱が最小限に抑えられるので加温時間が大きく短縮され、他方、半導体チップを押圧する間、ヘッドの上面がホルダに当接し、ホルダがヘッドを上からしっかりと抑えつけるのでヘッドの平行度を正確に保つことができ、さらに、押圧状態で冷却する際には、ヘッド上面がホルダに当接した状態、すなわち広い領域で当接するので、ヘッドの熱が適量ホルダに伝搬し、その作用により冷却に必要な時間も短い。
【００３０】
したがって、加温時間および冷却時間が短縮され且つヘッドの平行度も良好に維持されるのでるので生産効率を大幅に向上が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヒーターの端面図である。
【図２】図１のヒーターの端面図であり、ヘッドが被加熱物に接触している状態を示す。
【図３】本発明別実施形態によるヒーターを示す部分拡大図である。
【図４】図１のヒーターによる実施例において、図１の状態で電力を投入した際の、立ち上がり時間とヘッドの先端中央部位での温度とを示すグラフである。
【図５】図１のヒーターによる実施例において、図２の状態で電力を投入した際の、立ち上がり時間とヘッドの先端中央部位での温度とを示すグラフである。
【図６】フリップチップ接続法におけるヒーターの使用法を概略説明する説明図である。
【図７】従来のヒーターの端面図である。
【符号の説明】
ｓ                隙間
ｈ１，ｈ２        高さ
１                ヘッド
１ａ              伝熱部
２                発熱部
２ａ              発熱体
２ｂ              ヘッド上面
３                ホルダー
３ｂ              凹部
３ｃ              当接面
４                摺動面
５                ベアリング
１０              ヒーター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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