(57)【要約】【課題】半導体ベアチップを基板上にダイレクトボンドするための押圧加熱型セラミックヒータにおいて、小スペースでのベアチップ実装を可能とし、また、電極取出部の温度上昇を防ぐ。【解決手段】セラミックブロック体と、該セラミックブロック体の内部に埋設された発熱体と、上記セラミックブロック体の裏側もしくは側面から挿入され、発熱体近傍にて測温するようにした制御用熱電対とから成る押圧加熱型セラミックヒータである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線層を有する基板上に、下面に電極を備えた半導体ベアチップを載置し、該半導体ベアチップを上面側から押圧加熱して前記基板にダイレクトボンドするためのヒータであって、セラミックブロック体と、該セラミックブロック体の内部に埋設された発熱体と、前記セラミックブロック体の裏側もしくは側面から挿入され、発熱体近傍にて測温するようにした制御用熱電対とからなることを特徴とする押圧加熱型セラミックヒータ。
【請求項２】
前記熱電対の線径が０．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の押圧加熱型セラミックヒータ。
【請求項３】
前記セラミックブロック体に設けられた穴に金属材を埋め込み、この金属材に前記熱電対を溶接したことを特徴とする請求項１又は２記載の押圧加熱型セラミックヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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イング用ヒータヘッド等、被加熱物に押圧加熱するようにしたヒータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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１３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、接合している。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まで効率よく伝える必要がある。
【０００５】
そこで、ボンデイング用ヒータ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、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を介して接着材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、ボンデイ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。
【０００７】
しかし、上記厚膜式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、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１４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、発熱抵抗体２ａを内部に設けたセラミックヒータ２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１を接合してセラミックブロック体９となし、このセラミックブロック体９を上記ホルダ３の凹部に固定した押圧加熱型セラミックヒータが開発された。
【０００９】
この押圧加熱型セラミックヒータを使用する場合は、発熱抵抗体２ａに通電発熱した状態で、セラミックブロック体９のヘッド１の当接面１ａを加熱したまま半導体ベア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る。このヒータは加熱部は高熱伝導セラミックスで、ホルダ部は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】
また、図１４に示す従来の押圧加熱型セラミックヒータでは、セラミックヒータ２に内装された発熱抵抗体２ａと同一平面内にリード引出部２４を備え、この端部に電極取出部２５を形成し、この上にメタライズを施して、外部リードをロウ付けするようになっている。
【００１１】
ところで、上記ボンディング用ヒータは、その作業タクトを短くすることが重要であり、昇温降温速度を速くすることが求められている。また、ボンディング用ヒータは、温度調節のためヒータ温度を測温するための熱電対４を設けてある。従来は、図１０〜１２に示すようにヘッド１又はセラミックヒータ２にあらかじめ熱電対４挿入用の穴４ａを開け、その中に熱電対４の先端部を挿入したのちセラミックセメント５等で固定していた。
【００１２】
具体的に説明すると、図１０はヘッド１とセラミックヒータ２がホルダ３の凹部３ａに保持されている構造で、ヘッド１の側面に穴４ａが形成されており、該穴４ａに熱電対４が挿入されアルミナセメント５で固定されている例である。また、図１１と図１２は、ホルダ３上にセラミックヒータ２とヘッド１が順に積層された構造のボンディング用ヒータの例で、図１１はヘッド１に穴４ａが形成されており、図１２はセラミックヒータ２の側面に穴４ａが形成され、それぞれ穴４ａに熱電対４が挿入されアルミナセメント５で固定されている例を示した。
【特許文献１】特開平９−６３７５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図１０〜１２に示すような押圧加熱型ヒータでは、熱電対４の引き回し部分が剥き出しの構造であり、かつ元々アルミナセメント５による接着強度が低いため、使用中に物当たりや引っ張りの力がかかった場合、熱電対４が外れ易いという課題があった。
【００１４】
また、熱電対４の取り付け方や、熱電対４の種類選定が悪いとヒータ表面の真の温度を測温できないばかりか、熱電対４が外れてしまうとヒータが過昇温し、半導体チップを破損したりヒータが断線する可能性もあった。
【００１５】
さらに、このボンディング用ヒータは、タクトアップのため数秒の間に３００℃程度まで急速に昇温したあと数秒間で急冷されるような工程を繰り返すため、熱電対４の取り付け部にも熱応力が加わり、長期使用中に熱電対４の脱落や浮き等の問題が発生した。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者等は、鋭意研究を重ねた結果、上記セラミックブロック体に発熱体を内蔵するとともに、制御用熱電対を上記セラミック体の裏側もしくは側面から挿入し、発熱体近傍にて測温すればよいことを見出した。
【００１７】
本発明の押圧加熱型セラミックヒータは、配線層を有する基板上に、下面に電極を備えた半導体ベアチップを載置し、該半導体ベアチップを上面側から押圧加熱して上記基板にダイレクトボンドするためのヒータであって、セラミックブロック体と、該セラミックブロック体の内部に埋設された発熱体と、上記セラミックブロック体の裏側もしくは側面から挿入され、発熱体近傍にて測温するようにした制御用熱電対とからなることを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、制御用熱電対をセラミックブロック体の裏側もしくは側面から挿入し、発熱体中央部近傍で測温することにより物当たり等による熱電対の外れを防止できる。なお、熱電対取り付け部を従来の穴形式から、溝形式に変えることにより、熱電対の取り付け状況を目で確認しながら熱電対を確実に取り付けることも可能となる。
【００１９】
さらに、従来方式に比べ熱電対を発熱部、あるいは使用部位（ヘッド）に近づけることができるので、急速昇温時ヘッド表面温度と熱電対による測温温度の差異を小さくすることが可能となる。
【００２０】
また本発明は、上記の押圧加熱型ヒータであって、線径０．２ｍｍ以下の熱電対を備えたことを特徴とする。即ち、本発明によれば、ヒータ又はヘッドに熱容量の小さい細い径の熱電対を用いることにより、ヒータの急速昇温に追随できるようにしたものである。さらに、本発明は、上記の押圧加熱型ヒータであって、ヒータ又はヘッドの熱電対取り付け部となる穴にあらかじめ金属を埋め込んでおき、直接熱電対を溶接することによって、熱電対の取り付け強度、急速昇温追従性を向上させようとするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、半導体ベアチップ等を基板上にダイレクトボンドするための押圧加熱型ヒータであって、上記セラミックブロック体に発熱体を内蔵するとともに、制御用熱電対を上記セラミックブロック体の裏側もしくは側面から挿入し、発熱体近傍にて測温することによって、ヒータ加熱によるヘッド部分の温度変化を応答性良く検知し、作動中の温度サイクルや物当たりなどの応力に対する熱電対の外れを防止できる。また、これにより、ヒータ部の過昇温による半導体チップの破損やヒータの断線を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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説明する。
【００２３】
図１のボンディング用ヒータは、低熱伝導セラミックスからなるホルダ３に凹部３ａを形成し、一方、加熱部を成すセラミックヒータ２に高熱伝導セラミックスからなるヘッド１を接合してセラミックブロック体９を構成し、このセラミックブロック体９を上記ホルダ３の凹部３ａに保持したものである。
【００２４】
このボンディング用ヒータを使用する場合は、ホルダ３のヘッド１と反対側の下面３ｂを他部材に当接させて保持し、セラミックヒータ２中に埋設した発熱抵抗体２ａに通電発熱した状態で、ヘッド１上面の当接面１ａ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、基板上に半田バンプで接合する。
【００２５】
このとき、ヘッド１は高熱伝導セラミックスからなるため、セラミックヒータ２の熱を良好に伝えることができ、急速昇温が可能となる。またヘッド１の当接面１ａがセラミックスからなるため、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。しかも、ホルダ３は低熱伝導セラミックスからなるため、セラミックヒータ２の熱がホルダ３側から逃げることを防止し、加熱効率を向上できる。
【００２６】
また、加熱時には、ホルダ３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３の下面３ｂとヘッド１の当接面１ａの間は優れた平行度とする必要があるが、全ての部材がセラミックスからなるため、高い平行度を維持することができる。
【００２７】
さらに、図１（ｂ）に示すように、セラミックヒータ２は、二つの成形体２ｂ、２ｃ間に発熱抵抗体２ａを挟み込んで一体焼成したものであり、しかもセラミックヒータ２がヘッド１とホルダ３間に挟み込まれていることから、昇温、降温を繰り返して熱サイクルが加わっても、発熱抵抗体２ａが剥離したり断線することを防止できる。
【００２８】
また、この発熱抵抗体２ａに通電するためのリード引出部２４は、セラミックヒータ２を成す一方の成形体２ｂに貫通孔２ｄを形成し、この中に導電ペーストを充填して形成したものである。そのため、蛇行状に形成された発熱抵抗体２ａは、押圧方向に対してほぼ垂直な平面状に形成され、この発熱抵抗体２ａの成す平面に対してほぼ垂直に、即ち押圧加熱方向とほぼ平行にリード引出部２４が形成されることになる。
【００２９】
そして、上記リード引出部２４の端部に電極取出部２５を備えれば、この電極取出部２７はホルダ３の下面３ｂ側に存在するので、使用時には下面３ｂが他部材と接触して良好に熱を逃がすことにより、電極取出部２５近傍が高温となることを防止できる。
【００３０】
ここでヘッド１を成す高熱伝導セラミックスとは、ホルダ３よりも熱伝導率の高いセラミックスであれば良く、好ましくは常温での熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを用いる。なお、本発明における熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により常温で求めたものである。
【００３１】
また、ヘッド１の当接面１ａは半導体ベアチップ等の被加熱物と接触することから、耐摩耗を高めるために、ヘッド１の材質として荷重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。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、圧痕法で測定した靱性値（Ｋ１Ｃ）が４ＭＰａ・ｍ1/2 以上のセラミックスを用いることが好ましい。
【００３２】
これらを満足するセラミックスとしては、表１に示すような高熱伝導窒化珪素、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以上としたものである。
【００３３】
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（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Ａｌ2Ｏ3 、Ｙ2 Ｏ3 等の焼結助剤を含有するものである。
【００３４】
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、破壊靱性値が４ＭＰａｍ1/2 上のものを用いれば、当接面の欠け等を防止する効果を高くでき、具体的には高熱伝導窒化珪素質セラミックスが最適である。
【００３５】
また、これまでの説明で、セラミックヒータ２とホルダ３を別々に形成するとしたが、これらを一体的に形成しても構わない。あるいはヘッド１の部分は高熱伝導性セラミックスで構成するのが好ましいが、これらも含めて全て一体となるよう同時焼成しても構わない。これらについても、本発明の範疇から外れるものではない。
【表１】
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【００３６】
また、ヘッド１の当接面１ａ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必要がある。具体的には、当接面１ａは、表面粗さ（中心線平均粗さ：Ｒａ）０．５μｍ以下、平坦度１〜５μｍとし、ホルダ３下面との間の平行度を２〜５μｍとすることが好ましい。
【００３７】
さらに、ヘッド１の厚みｔは０．５〜５ｍｍとすることが好ましい。これは、厚みｔが５ｍｍを越える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未満であると均熱性が維持しにくくなるためである。
【００３８】
次に、ホルダ３を成す低熱伝導セラミックスとは、ヘッド１よりも熱伝導率の低いセラミックスであれば良く、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。
【００３９】
具体的には、表２に示すような低熱伝導窒化珪素、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。
【００４０】
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である。また、ジルコニアセラミックについては、強度及び靱性を考慮し、ＴＺＰ等の部分安定化ジルコニアを使用するとよい。
【表２】
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【００４１】
次に、セラミックヒータ２は、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム等のセラミックスの成形体２ｃに、タングステン（Ｗ）モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属の単体あるいは炭化物、窒化物等からなるペーストをスクリーン印刷法等を用いて印刷し発熱抵抗体２ａを形成する。
【００４２】
リード引出部２４は、別途用意した成形体２ｂにφ１ｍｍ程度の貫通孔２ｄを少なくとも１個以上形成し、タングステン（Ｗ）モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属の単体あるいは炭化物、窒化物等からなるペーストを前記貫通通孔２ｄに充填し発熱抵抗体２ａと電気的接続させる為のリード引出部２４を形成する。
【００４３】
発熱抵抗体２ａを印刷した成形体２ｃとリード引出部２４を形成した成形体２ｂを積み重ねてホットプレス焼成を行いセラミックヒータ２を得る。
【００４４】
ここで、成形体２ｂ、２ｃはプレス成形以外に、テープ成形等の手法を用いて形成しても問題なく、その場合、発熱体を印刷したテープとリード部を形成したテープを加圧密着させたのち焼成してセラミックヒータ２を得ることも可能である。
【００４５】
これらヘッド１、セラミックヒータ２、ホルダ３のそれぞれの接合構造としては、接着剤等を用いた接合、機械的な接合、焼成収縮を利用した接合等さまざまな手段をとることができる。
【００４６】
例えば、セラミックヒータ２とヘッド１の間は、接着剤を用いて接合している。この接着剤としては、ガラス成分を用いることが好ましい。具体的には、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、酸化珪素、ジルコニア、アルカリ土類酸化物、希土類酸化物のいずれかの組合せからなる組成で、融点が１５００〜１８００℃の高融点ガラスを用いる。
【００４７】
例えばＹ2 Ｏ3 −Ａｌ2 Ｏ3 系として、Ｙ2 Ｏ3 ：Ａｌ2 Ｏ3 ＝６０：４０（重量％）で融点が１７６０℃のガラス成分を用いる。あるいは、Ｓｉ3 Ｎ4 −Ｙ2 Ｏ3 −Ａｌ2 Ｏ3 系として、上記Ｙ2 Ｏ3 −Ａｌ2 Ｏ3 の組成にＳｉ3 Ｎ4 を５モル％加えることによって、融点を下げた組成のガラス成分を用いることもできる。さらに、Ｓｉ3 Ｎ4 −ＳｉＯ2 −ＲＥ2 Ｏ3 （ＲＥは希土類元素）系として、Ｓｉ3 Ｎ4 ：（ＳｉＯ2 ＋Ｙ2 Ｏ3 ）＝５：９５（モル％）でＳｉＯ2 ：Ｙ2 Ｏ3 ＝２：１（モル％）となるように調合したガラス成分を用いることもできる。
【００４８】
さらに、これらのガラス成分からなる接着剤を接合部分に塗布後両者を密着し熱処理する事によりヘッド１とセラミックヒータ２を一体化する。この際、温度及び時間等の調整により、ガラス成分をセラミックス中に拡散させることによって、より接合強度を高めることができる。
【００４９】
また、上記ガラス成分からなる接着剤中に、ＡｌＮ等の高融点で熱伝導率の高い粒子を混入させることもできる。このようにすれば、ＡｌＮ等の粒子がセラミックヒータ２とヘッド１間に存在して、両者間の熱伝導性を向上させるとともに、熱膨張差による界面応力はガラス成分で緩和することができる。
【００５０】
また、接着剤として金属アルミニウムを用いることもできる。例えば、アルミニウム箔を挟んで熱処理すれば、ヘッド１又はセラミックヒータ２を構成するＳｉ3 Ｎ4 、あるいは雰囲気の窒素ガスと反応してＡｌＮ系サイアロンを形成することにより、接合することも可能である。
【００５１】
なお、以上のような接着剤の厚みは１〜２００μｍの範囲とすることが好ましい。
【００５２】
また、ホルダ３とセラミックヒータ２の間は、焼成収縮を利用した接合としてある。具体的には、セラミックヒータ２及びヘッド１側を通常焼成した後熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）処理しておき、常圧焼成した後のホルダ３の凹部に上記のセラミックヒータ２とヘッド１を配置し、全体をＨＩＰ処理すれば、ホルダ３側が収縮してセラミックヒータ２とヘッド１を挟み込んで強固に保持することができる。
【００５３】
この場合、セラミックヒータ２とヘッド１を挟まずにホルダ３のＨＩＰ処理を施した場合の凹部の幅と、セラミックヒータ２及びヘッド１の幅との差が、ＨＩＰ収縮による挟み代となるが、この挟み代が２００μｍ以下となるように設定しておくことが好ましい。より好適には、ホルダ１側のＨＩＰ処理時の収縮量を９５〜９９．８％とし、上記挟み代が１０〜５０μｍとなるように設定しておくことが最適である。
【００５４】
以上の実施形態では、半導体ベアチップの接合に用いるボンディング用ヒータを例にとって説明したが、本発明の押圧加熱型セラミックヒータはこの用途に限るものではない。即ち、被加熱物に接触し加熱するようなヒータであればさまざまな用途に適用することができ、具体的にはＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔ Ｃａｂｌｅ）等の半田接続、半導体パッケージキャップのシール、レーザーヘッド等の光学系ヘッドのキャンシール、チップ接続のリワーク等に用いることができる。
【００５５】
次に、本発明の他の実施形態をボンディング用ヒータを例にとり図２を用いて説明する。ボンディング用ヒータ１０は、低熱伝導セラミックス等の熱伝導率の低い材質からなるホルダ３に凹部３ａを形成し、一方、発熱抵抗体２ａを埋設したセラミックヒータ２に高熱伝導セラミックスからなるヘッド１を接合しておいて、これらのセラミックヒータ２及びヘッド１からなるセラミックブロック体９を上記ホルダ３の凹部３ａに保持したものである。
【００５６】
そして、図２に示すように熱電対４をホルダ３後部より導入し、ホルダ３を貫通し裏面に穴４ａをあけて内部に熱電対４を挿入し、アルミナセメント５で接着固定するようにしており、物当たりや引っ張りの力がかからなくなるため、熱電対４の固定の信頼性を上げることが可能となった。
【００５７】
また、図３、４に示すように、ホルダ３に形成する穴４ａに連続して溝４ｂを形成し、この溝４ｂに熱電対４を保持することもできる。
【００５８】
あるいは、図５、６のようにヘッド１が分離するタイプでは、セラミックヒータ２に熱電対４を取り付けてもよい。
【００５９】
このような熱電対４の取付方式により、従来ヒータ２の発熱部の外周部に設けていた熱電対４取り付け用の穴４ａを、ヒータ２の当接中心部の直近に設置することが可能となり、熱電対４取り付け部となる穴４ａとヘッド１の当接面１ａの中心部の温度差を小さくすることが可能となり、正確な制御が可能となる。しかも、熱電対４の保持の信頼性が向上するので、熱電対４のずれや外れによるセラミックヒータ２の昇温途中の突発的な過昇温を防止することができる。
【００６０】
また、熱電対４の素材において、従来は図７に示すような外径１．３ｍｍのシース型熱電対６、もしくは図８に示すような線径が０．５ｍｍ程度の熱電対素線８からなる熱電対４をヘッド１もしくはヒータ２に設けた穴４ａに挿入固定していたが、急速昇温用のセラミックヒータ２においては熱電対４自身の熱容量が大きすぎて、セラミックヒータ２の昇温に対する応答性が悪かった。
【００６１】
そこで、本発明では、前記熱電対４として、ガラス編組の熱電対４で線径０．２ｍｍ以下の熱容量の小さいものを用いることにより急速なヒーターの昇温速度に追従出来るようにした。
【００６２】
また、本発明の他の実施形態として、図９に示すように、熱電対４の取り付け強度、温度追従性を高めるために、セラミックヒータ２及び／又はヘッド１に熱伝導性の良い金属材１２をあらかじめ内蔵させて、その金属材１２に直接熱電対４をスポット溶接することもできる。例えば、ヘッド１の製造工程で、焼成前に熱電対４の取り付け部に、プレスまたは切削加工により熱電対４の取り付け部となる穴を設け、その中にタングステン等の高融点金属を主成分とするメタライズペーストを印刷、埋め込み等の手法で充填し、その後一体焼成することによって、金属材１２を内蔵したヘッド１を得ることができる。
【００６３】
また、同材質の金属材１２を埋め込み、一体焼成することにより金属材１２を形成しても良い。なお、別製法として焼成後のヘッド１に、切削加工で熱電対４の取り付け部となる穴４ａを設け、その中に熱伝導に優れた金属材１２を、活性金属法によりロウ付けしたものを用いてもよい。
【００６４】
そして、前述の方法でヘッド１に設置された伝導性に優れた金属材１２にスポット溶接等の方法により、直接熱電対４を取り付けることにより、取り付け強度と熱追従性を向上させることが可能となる。なお、金属材１２の取り付け部は、ヘッド１に限らず、同様の製法によりセラミックヒータ２に設けても良い。
【００６５】
また、図２〜９に示すボンディングヒータにおいても、ホルダ１、セラミックヒータ２、ヘッド３、接合用ガラス、セラミックヒータ２の発熱抵抗体２ａ等の材質は、図１に示す実施形態と同様である。
【００６６】
このボンディング用ヒータ１０を使用する場合は、ホルダ３の凹部３ａを不図示の他部材に当接させて保持し、発熱抵抗体２ａに通電発熱した状態で、図１３１３に示すようにヘッド１先端の当接面１ａの中心を半導体チップ２１に押し当てて、加熱しながら応力を加え、基板２０上に半田バンプ２２で接合する。
【実施例】
【００６７】
実施例１
本発明の実施例として、図１に示すボンディング用ヒータを試作した。ヘッド１の材質として表１の高熱伝導窒化珪素３を用い、焼成後ＨＩＰ処理を行い、幅２４ｍｍ、長さ２４ｍｍ、厚さ３ｍｍとした。また、ホルダ３の材質として表２の低熱伝導窒化珪素１を用い、幅２４ｍｍ、長さ３４ｍｍとした。
【００６８】
さらにセラミックヒータ２として、窒化珪素質セラミックスからなる成形体２ｃに、ＷＣを主成分とするペーストを用いて、スクリーン印刷法により発熱抵抗体２ａを形成し、また、リード引出部２４としてφ１ｍｍの貫通孔２ｄを陽極陰極側それぞれに各１ケづつ形成し、ＷＣを主成分とするペーストを充填したものを組み合わせホットプレス法にて焼結させ、ＨＩＰ処理後、幅２４ｍｍ、長さ２４ｍｍ、に研削加工した。
【００６９】
セラミックヒータ２の厚みは、リード引出部２４の長さが２０、１５、１０、５ｍｍになるように研削加工をした。リード引出部２４の長さは、図１に示す２ｂの成形体の厚みに相当する。これらを上述したように接合して本発明の実施例のボンディング用ヒータを得た。
【００７０】
また、比較評価のため、図１４に示す従来のボンディング用ヒータを作製した。
【００７１】
ヘッド３の材質として表１の高熱伝導窒化珪素３を用い、焼成後ＨＩＰ処理を行い、幅２４ｍｍ、長さ２４ｍｍ、厚さ３ｍｍとした。また、ホルダ１の材質として表２の低熱伝導窒化珪素１を用い、幅２４ｍｍ、長さ３４ｍｍとした。さらにセラミックヒータ２として、窒化珪素質セラミックスからなる成形体２ｂ、２ｄに、ＷＣを主成分とするペーストを用いてスクリーン印刷法により発熱抵抗体２ａ及びリード引出部２４を形成したものを内挿し、ホットプレス法にて焼結させＨＩＰ処理後、幅２４ｍｍ、厚み２ｍｍに研削加工したものを用意した。ヒータ長さは、リード引出部２４の長さが２０、１５、１０、５ｍｍになるように研削加工した。
【００７２】
これらを上述したように接合して本発明及び比較例のボンディング用ヒータを得た。そして、ヘッド１の当接面１ａが５００℃付近で飽和するような電力をセラミックヒータ２に印加し、電極取出部２５の温度の測定を行った。
【００７３】
結果は表３に示した。表３から判るように、比較例に比べ、本発明実施例は、空冷等の冷却手段をとらなくても電極取出部２５の温度を低くできることが判る。また、本発明実施例において、リード引出し部５の長さを１０ｍｍ以上としておけば、電極取出部２５の温度を十分に低くできることが判る。
【表３】
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【００７４】
実施例２
本発明実施例として、図３のようにホルダ３の後部からヘッド１の裏面まで貫通するφ２ｍｍの穴４ａを設け、その穴４ａを通し熱電対４の先端部を、実際に半導体チップ２１が当たるヘッド１の当接面中心部１ａに設置したものと、従来例として、図１０に示すようにヘッド側面に直径が１ｍｍで深さ３ｍｍの熱電対４の取り付け部となる穴を設け、その穴４ａに熱電対４を設置したものを用い、それぞれヘッド１の当接面１ａと熱電対４の昇温速度測定結果を図１５に示す。なお、熱電対４はいずれも０．２ｍｍΦのものを使用している。
【００７５】
結果は、図１５（ａ）に示すように、従来例では、熱電対４の測温が遅れてしまうために、急速昇温時にヘッド１の表面温度がオーバーシュート現象を起こしていることが判る。このためチップに過剰な温度負荷が掛かって半導体チップ２１を損傷する危険性、およびヒータ２の過昇温を招きヒータ２の寿命を短くする危険性がある。これに対し、本発明実施例では、図１５（ｂ）に示したように、ヘッド１の表面温度と穴４ａに設置した熱電対４の温度の差異が従来例に比べ小さく抑えられていることがわかる。
【００７６】
本発明の方式では、熱電対４による測温温度とヘッド１の表面温度に大きな差異が生じないので、半導体チップ２１のボンディングに要求される正確な温度制御が可能となった。
【００７７】
実施例３
また、熱電対４の選定実施例として、従来のタイプとして、図７に示す１．３ｍｍΦのステンレス保護管内に熱電対４の素線を配し隙間にマグネシア等を充填して絶縁した構造のシース型熱電対６と、図８に示す０．５ｍｍΦの素線にガラス編組被覆層を設けた熱電対４の２種類と、本発明実施例として、０．２ｍｍΦと０．１ｍｍΦの素線にガラス編組被覆層を設けた熱電対４の合計４種類の熱電対４を用いて、図４に示す熱電対４の取り付け部となる穴４ａに設置し、ヘッド１の当接面１ａとともに各々の熱電対４の昇温速度を測定比較した。
【００７８】
結果は図１６（ａ）および（ｂ）に示すように、シース型熱電対６と０．５ｍｍΦの素線にガラス網組被覆層を設けた熱電対４を使用したものは、熱電対４の昇温が遅れてしまうために、急速昇温時にヘッド１の表面温度がオーバーシュート現象を起こしていることが判った。このためヘッド１が過昇温することにより半導体チップ２１を損傷したり、ヒータ２の寿命を短くする危険性がある。
【００７９】
これに比べ、本発明による０．２ｍｍΦ又はび０．１ｍｍΦの熱電対４を使用したものは、図１６（ｃ）に示すように、急速昇温課程においてもヘッド１の表面温度と穴４ａに設置された熱電対４の測定温度の差異が小さく抑えられていることが判った。
【００８０】
以上の結果から、温度測定用の熱電対４の素線の径を０．２ｍｍΦ以下にすることにより、熱電対４の取り付け部となる穴４ａに設置された熱電対４の測定温度とヘッド１の表面温度に大きな差異がないためチップボンディングに要求される正確な温度制御が可能となった。
【００８１】
実施例４
次に、図９に示すようにヘッド１に金属材１２を備え、熱電対４を直接スポット溶接したものの取付強度および昇温追従性を、従来のものと比較した。全体厚みが５ｍｍのヘッド１側面部位に、成形時に幅２ｍｍ、高さ１ｍｍ、深さ０．５ｍｍの凹部をあらかじめ設けておき、その部分にタングステン、タングステンカーバイド、モリブデン、またはそれらの合金からなるペーストを焼成前に印刷もしくは充填することによって、金属材１２を備えた。金属材１２には、さらに表面にニッケルメッキを施した。その後、φ０．２ｍｍのガラス編組熱電対４を、上記金属層１２表面にスポット溶接して固着させたものを試験に供した。
【００８２】
試験方法は、温度コントロール設定温度を３００℃としたときの、ヘッド１の当接面１ａの中心部の温度、および金属材１２に接合した熱電対４による測定温度の昇温特性を測定して、従来方式との比較を行った。
【００８３】
結果は図１７（ａ）に示すように、従来のタイプは熱電対４の昇温が遅れてしまうために、急速昇温時にヘッド１の表面温度がオーバーシュート現象を起こしていることが判る。このためチップ１が過昇温することにより半導体チップ２１を損傷したり、ヒータ２の寿命を短くする危険性がある。これに対し、本発明による金属材１２にスポット溶接したφ０．２ｍｍの熱電対４では、図１７（ｂ）のように、急速昇温課程においても、ヘッド１の表面温度と金属材１２に接合された熱電対４の測定温度の差異が、従来例に比べ小さく抑えられていることが判る。
【００８４】
上記の結果から、本発明の方式では、熱電対４の測定温度とヘッド１の表面温度に大きな差異がないためチップボンディングに要求される正確な温度制御が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】（ａ）は本発明の押圧加熱型セラミックヒータを示す斜視図、（ｂ）は（ａ）中のセラミックヒータのみの分解斜視図である。
【図２】本発明の押圧加熱型セラミックヒータの熱電対取り付け構造を示す断面図である。
【図３】本発明の押圧加熱型セラミックヒータの熱電対取り付け構造を示す別の断面図である。
【図４】本発明の押圧加熱型セラミックヒータの熱電対取り付け構造を示す別の断面図である。
【図５】本発明の押圧加熱型セラミックヒータの熱電対取り付け構造を示す別の断面図である。
【図６】本発明の押圧加熱型セラミックヒータの熱電対取り付け構造を示す別の断面図である。
【図７】シース型熱電対を示す断面図である。
【図８】ガラス網組被覆熱電対を示す斜視図である。
【図９】本発明の押圧加熱型セラミックヒータの熱電対取り付け構造を示す別の断面図である。
【図１０】従来の押圧加熱型セラミックヒータの熱電対取り付け構造を示す断面図である。
【図１１】従来の押圧加熱型セラミックヒータの熱電対取り付け構造を示す別の断面図である。
【図１２】従来の押圧加熱型セラミックヒータの熱電対取り付け構造を示す別の断面図である。
【図１３】押圧加熱型セラミックヒータの使用状態を示す図である。
【図１４】（ａ）は、従来の押圧加熱型セラミックヒータを示す斜視図、（ｂ）は（ａ）中のセラミックヒータの分解斜視図である。
【図１５】（ａ）（ｂ）は、本発明実施例および比較例の立上り時の温度変化を示すグラフである。
【図１６】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明実施例および比較例の立上り時の温度変化を示すグラフである。
【図１７】（ａ）（ｂ）は、本発明実施例および比較例の立上り時の温度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８６】
１：ヘッド
１ａ：当接面
２：セラミックヒータ
２ａ：発熱抵抗体
２ｂ：成形体
２ｃ：成形体
２ｄ：貫通孔
３：ホルダ
４：熱電対
４ａ：穴
５：セラミックセメント
６：シース型熱電対
７：マグネシア充填物
８：熱電対素線
９：セラミックブロック体
１０：ボンディング用ヒータ
１２：金属材
２０：基板
２１：半導体チップ
２２：半田バンプ
２４：リード引出部
２５：電極取り出し部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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