JP4601208B2

JP4601208B2 - Press heater

Info

Publication number: JP4601208B2
Application number: JP2001161500A
Authority: JP
Inventors: 尚文鶴丸
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-05-29
Filing date: 2001-05-29
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2021-05-29
Also published as: JP2002353254A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体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、被加熱物を押圧加熱する押圧加熱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実装する方法として、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等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。
【０００３】
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、接合を行っており、この時、両者に備えたハンダバンプ等の接着剤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】
かかる押圧加熱ヒーターは、まず使用する接着材を軟化もしくは溶融するために必要十分な熱を半導体チップを介してハンダバンプ等の接着剤まで効率よく伝えること、半導体産業において重要なファクターである生産効率の観点から、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、さらに、昇降温速度を速くすることが要求され、図３に示すように半導体チップ等の被加熱物を押圧するためのセラミックツール１１と、高熱伝導率のセラミック体に発熱体を埋設してなり、前記セラミックツール１１を加熱するためのセラミックヒーター１２と、これら部材を支持するホルダー１５とからなり、セラミックヒーター１２の側面には、セラミックヒーター１２の温度を制御するための制御用熱電対１６を配置するための取付け穴１７が設けられ、接着剤を介して制御用熱電対１６の一部が固定されている。
また、前記制御用熱電対１６は、図４に示すように異種金属からなる一対の素線が接合されてなる測温点１８を有し、この測温点１８を有する接合部は各素線の先端を交差させ重なった部分をバーナー溶接によって接合してなり、この球状の接合部をセラミックヒーター１２の測温位置近傍に設けられた取付け穴１７内に固定することによって測温し、セラミックヒーター１２に供給する電力を制御する仕組みである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の押圧加熱ヒーターに備えられた制御用熱電対１６は一対の素線の先端をバーナー溶接によって接合することから、測温点１８を含む接合部の径が大きな球状となるため、熱容量が大きく制御用熱電対１６の検知感度が低下するという欠点を有していた。
【０００６】
また、接合部が径の大きな球状となると、測温点１８とセラミックヒーター１２の測温位置との距離が大きくなり、正確な温度を検知できず、検知温度が実際のセラミックヒーター１２の温度より低い場合には、セラミックヒーター１２に過大な電力が供給され、セラミックヒーター１２の破損、断線が生じ、長期間の使用に供することができないという欠点を有していた。さらに、制御用熱電対１６はセラミックヒーター１２の側面に開口した取付け穴１７から挿通されていたため、外部より荷重がかかった際に位置ズレが生じたり、外れたりしやすいことから、セラミックヒーター１２の温度変化に追従する検知感度が低下し、正確な温度を測定できないという欠点を有していた。
【０００７】
本発明は、上述の欠点に鑑み案出されたものであり、その目的は、検知感度が高く、短時間でセラミックヒーターの温度を測定できる高精度な押圧加熱ヒーターを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の押圧加熱ヒーターは、下面に電極を備えた半導体チップを上面側から押圧加熱し、配線層を有する基板上にダイレクトボンドするための押圧加熱ヒーターであって、セラミック体中に発熱体を埋設してなるセラミックヒーターと、このセラミックヒーターに備えた取付け穴に配置され、異種組成からなる一対の素線を接合してなる測温点を有する制御用熱電対とを備え、該制御用熱電対の接合部の径が前記各素線の線径の和より小さく、前記測温点が前記発熱体と０．５〜１ｍｍの距離で配置されているとともに、前記各素線の線径が０．２ｍｍ以下かつ前記取付け穴の径が前記各素線の線径の３倍以内であり、前記制御用熱電対が複数の屈曲部を有するように配置されていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の押圧加熱ヒーターは、前記制御用熱電対を２つ以上設けたことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の押圧加熱ヒーターによれば、各素線を接合した制御用熱電対の接合部の径が、各素線の線径の和より小さいことから、接合部の体積が小さく、熱容量も小さくなるため、制御用熱電対の検知感度が向上し、正確な温度を短時間で測定でき高精度な押圧加熱ヒーターを得ることができる。
【００１３】
また、本発明の押圧加熱ヒーターによれば、前記制御用熱電対の測温点が、前記セラミックヒーターの発熱体と０．５〜１ｍｍの距離で配置されていることから、制御用熱電対の測温点とセラミックヒーターの測温位置との距離が小さく、正確な温度をより短時間で検知することができる。
【００１４】
さらに、本発明の押圧加熱ヒーターによれば、前記制御用熱電対が複数の屈曲部を有するように配置されていることから、外部より荷重がかかった際にも制御用熱電対の測温点は、位置ずれが生じたり、外れたりすることはなく、セラミックヒーターの測温位置との距離を一定に保持し、検知感度の高い測温を行うことができる。
【００１５】
さらにまた、前記制御用熱電対を２つ以上設けたことから、１つは制御用熱電対として、もう１つは過昇温用に温度モニターとして使用することができ、制御用熱電対が不慮の外力等によって位置ずれや異常が生じた場合にも、過電力が供給されることはなく、より信頼性の高い押圧加熱ヒーターを得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明の押圧加熱ヒーターは、図１（ａ）の一実施形態を示す斜視図及び同図（ｂ）に示す分解斜視図のように、半導体チップ等の被加熱物を押圧するためのセラミックツール１と、セラミック体３に発熱体４を埋設してなり、前記セラミックツール１を加熱するためのセラミックヒーター２と、これら部材を統合し他部材に結合するためのホルダー５とからなり、セラミックヒーター２の側面には、取付け穴７が設けられ制御用熱電対６の測温点が配置されている。
【００１７】
前記セラミックツール１は、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体等からなり、その上面に半導体チップ等の被加熱物を真空吸着するための真空引き穴１ａが形成され、その下面に形成されるセラミックヒーター２、ホルダー５にも同様な真空引き穴が形成されており、これら真空引き穴は全て貫通しているため、これらを介して真空引きすることによってセラミックツール１の上面の半導体チップを真空吸着する仕組みである。
【００１８】
また、前記セラミックツール１は、例えば主成分である窒化アルミニウム粉末に、焼結助剤であるアルミナ、イットリア等を所望の組成になるように添加し、メタノール、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）等の非水系溶媒とアルミナ等のメディアとともにボールミル、振動ミルで混合し、得られた窒化アルミニウムスラリーを防爆式の乾燥機によって約１２０℃、２４時間乾燥した後、スプレードライ法、乾式造粒法、湿式造粒法等によって得られた粉末に所望の有機バインダーを混合した後、プレス成形、ＣＩＰ成形によって成形して成形体を得た後、５００〜７００℃程度の温度で脱脂工程を経て有機バインダーを飛散させ、窒素雰囲気中にて１８００〜２０００℃程度の温度で焼成するか、もしくはカーボン型中でホットプレスすることによって作製される。
【００１９】
なお、前記セラミックツール１は、熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率を有するセラミックスであることが好ましく、セラミックツール１の周囲の温度低下を防止するとともに、セラミックヒーター２の熱をセラミックツール１側に効率よく伝え、その上面に載置された半導体チップの温度分布を一定に保持することができる。
【００２０】
さらに、前記セラミックツールの下面にはセラミックヒーター２が形成され、セラミックツール１の上面に載置された半導体チップ等の被加熱物を加熱する作用をなす。
【００２１】
前記セラミックヒーター２は、窒化珪素質焼結体、炭化珪素質焼結体等のセラミック体３中に、導電性セラミックスあるいは金属からなる発熱体４を埋設してなり、例えば主成分として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％、アルミナ、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％、１〜５重量％添加混合して原料粉末を調整した後、プレス成形法等によって所定形状の成形体を得、該成形体にタングステンやモリブデン、レニウム等、或いはこれらの炭化物、窒化物等に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して発熱体ペーストを作り、これを発熱体４の形状にスクリーン印刷法等によりプリントし、その上面に上述の成形体を重ねて密着させ、約１６５０〜１８００℃の温度でホットプレス焼成するか、もしくは１０気圧以上の窒素雰囲気中にて約１７００〜１８５０℃で焼成する。しかる後、得られた焼結体を所定の寸法に研削加工した後、Ｘ線、超音波等によって発熱体４の位置、距離を確認し、取付け穴７を超音波加工等によって発熱体４の近傍に設けた後、発熱体４の両端の一部をセラミック体３より露出させ、主成分である銀にチタンを含有したペーストを塗布し、真空中にて焼成してメタライズを形成し、このメタライズ上にニッケルメッキを施した後、銀−銅等のロウ材を用いて真空中又は非酸化性雰囲気中にてリード線を取着することによって製作され、前記リード線を介して通電することによって発熱体４を加熱させる仕組みである。
【００２２】
また、前記セラミック体３は、窒化珪素質焼結体で形成することが好ましく、セラミック体３に発熱体４を埋設させることによって動作時に発熱体４の付近まで空気中の酸素が拡散し、発熱体４が酸化して断線するのを有効に防止するとともに、高温強度を極めて高いものとし電気的な絶縁性、耐久性を保持する。
【００２３】
さらに、前記セラミック体３は、その熱伝導率を常温で５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上としておくと、発熱体４の熱をセラミック体５全体に短時間で伝達し、温度むらを防止することができ、その厚みを１〜２ｍｍの範囲としておくと、セラミックヒーター２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、昇温速度を速くすることができるため、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２に割れ等の破損を発生させることなく短時間に実装可能となる。
【００２４】
また、前記セラミックヒーター２には、取付け穴７に無機接着剤等を介して制御用熱電対６が固定され、セラミックヒーター２の温度を検知してセラミックヒーター２中の発熱体４に供給する電流値を調整し所望の温度に調整する作用をなす。
【００２５】
前記制御用熱電対６は、図２（ａ）に示すように異種組成の金属からなる第１素線６ａ、第２素線６ｂの各先端を結線した接合部Ａを有し、該接合部Ａの境界部は測温点８となる。前記第１素線６ａ及び第２素線６ｂは、ニッケル、クロムを主とした合金（クロメル）と、ニッケルを主としアルミニウム、珪素、マンガンを混合した合金（アルメル）、銅とコンスタンタン、白金と白金ロジウム等のような組み合わせがあり、セラミックヒーター２の発熱温度、条件に適した組み合わせのものを用いる。そして第１素線６ａ、第２素線６ｂの先端を交差させ、スポット溶接にて接合し、その周囲をガラスファイバーチューブ等からなる絶縁層で被覆してなり、接合部Ａの径が第１素線６ａ、第２素線６ｂの各線径の和より小さくすることが重要である。
【００２６】
ここで、前記接合部Ａの径を、第１素線６ａ及び第２素線６ｂの線径の和より小さくすることで、測温点８を含む接合部Ａの熱容量を小さくして制御用熱電対６の検知感度を向上させ、セラミックヒーター２の温度変化を正確に、かつ短時間で測定することができる。なお、前記第１素線６ａ及び第２素線６ｂの先端をスポット溶接により接合することによって、接合部Ａの径を各素線の径の和より小さくすることができる。また、前記第１素線６ａ及び第２素線６ｂの線径はそれぞれ０．２ｍｍ以下としておくことが好ましく、これによって熱引きが小さく、より高精度な温度測定が可能となり、セラミックヒーター２の温度制御の精度を向上させることができる。
【００２７】
さらに、前記制御用熱電対６の測温点８は、図２（ｂ）に示す断面図のようにセラミックヒーター２の発熱体４と０．５〜１．０ｍｍの距離Ｋで配置されていることが好ましく、このように配置することで、セラミックヒーター２の温度を正確に、かつ短時間で検知することができる。前記発熱体４と測温点８との距離が０．５ｍｍ未満となると、発熱体４との絶縁距離が確保されずに絶縁破壊を起こすおそれがあり、一方、１ｍｍを超えると、制御用熱電対６の測定温度とセラミックヒーター２の実際の温度との差が大きくなり、セラミックヒーター２に過電力を供給し、セラミックヒーター２の破損を招くおそれがある。なお、セラミックヒーター２に埋設された発熱体４と制御用熱電対６の測温点８との距離Ｋを０．５〜１．０ｍｍにするには、制御用熱電対６の接合部Ａの径を小さく加工すること、先端を切削して調整すること等によって調整でき、前記距離Ｋは透過Ｘ線にて確認することができる。
【００２８】
またさらに、前記制御用熱電対６は、図１（ｂ）に示すように複数の屈曲部６ｃを有するように配置されていることが好ましく、ホルダー５の側面に沿って保持され、ホルダー５の側面に開口された孔５Ａもしくは溝より屈曲部６ｃを有し、ホルダー５の中心に向かって形成された孔５Ｂに屈曲部６ｃを有して挿通され、セラミックヒーター２に設けられた取付け穴７に制御用熱電対６の測温点８が発熱体４近傍に位置するように配置されており、外部より荷重がかかった際にも２ヶ所の屈曲部６ｃを有するため、測温点８の位置がずれることはなく、セラミックヒーター２の温度変化に高精度に追従する測温を行うことができる。
【００２９】
なお、前記取付け穴７の径は、制御用熱電対６の第１素線６ａ及び第２素線６ｂの線径の３倍以内としておくと、制御用熱電対６の接合部Ａを取付け穴７内に固定する低熱伝導の無機接着剤の充填量を減少できるため、より短時間で正確な温度を測定することができる。
【００３０】
上述のように制御用熱電対６を配置するには、予め、超音波加工等によって、前記ホルダー５に孔５Ａ、５ＢもしくはＴ字型の溝を形成するとともに、前記セラミックヒーター２に取付け穴７を形成した後、ホルダー５の側面から制御用熱電対６を前記孔５Ａ、５Ｂもしくは溝の中に挿入し、さらに取付け穴７中に接合部Ａを挿入するとともに無機接着材を充填し、室温で２４時間乾燥後、２５０℃にて３時間乾燥することによって固定される。
【００３１】
また、前記制御用熱電対６は、２つ以上配置することが好ましく、前記制御用熱電対６の他にセラミックヒーター２の発熱体４近傍に温度モニター用熱電対を配置しておくと、制御用熱電対６に万が一の異常が発生した場合、もしくは不慮の外力等による位置ズレが生じセラミックヒーター２に過電力が供給された場合、前記温度モニター用熱電対で過昇温を検知し、セラミックヒーター２への電力供給を中断させるものであり、より信頼性の高い押圧加熱ヒーターを得ることができる。さらに、制御用熱電対６及び温度モニター用熱電対は、セラミックヒーター２の発熱体４の中心に対し、対称な位置に配置しておくことが好ましく、セラミックヒーター２の温度を均一に測定し、制御用熱電対６と温度モニター用熱電対との検知温度の差を極めて少なくすることが可能となる。
前記セラミックツール１、セラミックヒーター２の下面には、断熱材と支持体とからなるホルダー５が形成されており、このうち断熱材は５〜３０％程度の気孔率を有するムライトやムライト−コージェライト等のセラミックスからなり、セラミックヒーター２で発生した熱をセラミックツール１側に有効に伝熱させる作用をなす。
【００３２】
また、支持体は、断熱材の下面にセラミックヒーター２等の各部品を統合し他部材に結合するためのものであり、低熱伝導性を有する窒化珪素、アルミナ等のセラミックス、ステンレススチール等の金属からなる。
【００３３】
この押圧加熱ヒーターを使用する場合は、セラミックヒーター２の発熱体４の電気抵抗により電力が印加される際、ジュール発熱を起こし、セラミックヒーター２の上面に高熱伝導率のセラミックツール１を真空吸着させ、その上面に真空吸着された半導体チップを加熱しながら押圧することによって、低融点ロウ材を介して配線基板上に実装する際、前記低融点ロウ材を溶融させるために必要な温度を、制御用熱電対６にて温度を検知しながら制御する仕組みである。
【００３４】
なお、本発明の押圧加熱ヒーターは、上述の実施形態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。
【００３５】
【実施例】
以下本発明の実施例を説明する。
【００３６】
（実施例１）
本発明の実施例として、図１に示すような押圧加熱ヒーターを作製し、その特性を測定した。
【００３７】
先ず、窒化アルミニウム質焼結体からなるセラミックツールを用い、セラミックヒーターを、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％、アルミナ、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後、原料粉末をプレス成形法により成形体を得、該成形体の上面にタングステンに適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して発熱体ペーストを作り、スクリーン印刷法によりプリントし、その上面に上述の成形体を重ねて密着させ、カーボン型中でホットプレスにて（１０気圧の窒素雰囲気中にて）約１７００〜１８５０℃で焼成し、３５ｍｍ×４５ｍｍに研削加工し、Ｘ線にて発熱体の位置を確認しながら、発熱体から１ｍｍの距離に超音波加工によって制御用熱電対の取付け穴を形成し、発熱体の一部を露出させ電極取出し部を形成しリード線を接続し、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以下のフッ素金雲母系セラミックスからなるホルダーに結合する。
【００３８】
前記取付け穴には、線径が０．２ｍｍのアルメル−クロメル素線をスポット溶接にて接合し、接合部の径が０．２ｍｍ、０．３ｍｍの制御用熱電対を配置した。
【００３９】
また、比較例として線径が０．２ｍｍのアルメル−クロメル素線をバーナー溶接によって接合し、接合部の径が０．５ｍｍの球状となる制御用熱電対を配置した試料を準備する。
【００４０】
各制御用熱電対を配置した押圧加熱ヒーター試料を５０〜４５０℃まで２．５秒で昇温させ、所望の温度変化と、各試料の温度変化の様子を図５に示す。
【００４１】
図５から明らかなように、接合部の径が０．２ｍｍ、０．３ｍｍと各素線の径の和より小さい本発明の制御用熱電対を用いた試料は、温度変化においてオーバーシュートも９℃以下と小さく、３秒以下で測温点が４５０℃に安定しており、温度変化の様子も所望の温度変化と非常に近似していることが判った。
【００４２】
これに対し、接合部の径が０．５ｍｍの制御用熱電対を配置した試料は、温度変化において、４９０℃と４０℃もオーバーシュートしており、測温点が４５０℃に安定するまでに９秒程度と長時間要することが判った。
【００４３】
（実施例２）
上述と同様に図１に示すような押圧加熱ヒーター試料を作製し、線径が０．２ｍｍのアルメル−クロメル素線からなり、測温点を含む接合部の径が０．３ｍｍの制御用熱電対を、測温点とセラミックヒーターの発熱体からの距離をＸ線にて確認しながら表２に示す如く距離になるよう配置した試料を各３個ずつ用意し、各試料のセラミックヒーターの温度を制御用熱電対によって測定し、制御用熱電対が５００℃を検知したときの、セラミックヒーター表面温度をサーモビュアにて測温し、比較した。
【００４４】
なお、サーモビュアによるセラミックヒーターの表面温度は、セラミックヒーターの中心に１０ｍｍ角の正方形をとりその４個所の角部の温度を測定し、平均を算出して求めた。
【００４５】
結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】

【００４７】
表１から明らかなように、制御用熱電対の測温点とセラミックヒーターの発熱体との距離が０．５、１ｍｍの試料（Ｎｏ．４〜９）は、制御用熱電対が５００℃を検知した際のサーモビュアとの測温値との差は、３℃以下と小さく、制御用熱電対の感度が非常に高いことが判った。
【００４８】
これに対し、制御用熱電対の測温点とセラミックヒーターの発熱体との距離が１．３ｍｍの試料（Ｎｏ．７〜９）は、制御用熱電対とサーモビュアの測温値との差が９℃以上と大きく感度が低いことが判った。また、制御用熱電対の測温点とセラミックヒーターの発熱体との距離が０．３ｍｍの試料（Ｎｏ．１〜３）は、３個中２個が絶縁破壊することが判った。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の押圧加熱ヒーターによれば、各素線を接合した制御用熱電対の接合部の径が、各素線の線径の和より小さいことから、接合部の体積が小さく、熱容量も小さくなるため、制御用熱電対の検知感度が向上し、正確な温度を短時間で測定でき高精度な押圧加熱ヒーターを得ることができる。
【００５０】
また、本発明の押圧加熱ヒーターによれば、前記制御用熱電対の測温点が、前記セラミックヒーターの発熱体と０．５〜１ｍｍの距離で配置されていることから、制御用熱電対の測温点とセラミックヒーターの測温位置との距離が小さく、正確な温度をより短時間で検知することができる。
【００５１】
さらに、本発明の押圧加熱ヒーターによれば、前記制御用熱電対が複数の屈曲部を有するように配置されていることから、外部より荷重がかかった際にも制御用熱電対の測温点は、位置ずれが生じたり、外れたりすることはなく、セラミックヒーターの測温位置との距離を一定に保持し、検知感度の高い測温を行うことができる。
【００５２】
さらにまた、前記制御用熱電対を２つ以上設けたことから、１つは制御用熱電対として、もう１つは過昇温用に温度モニターとして使用することができ、制御用熱電対が不慮の外力等によって位置ずれや異常が生じた場合にも、過電力が供給されることはなく、より信頼性の高い押厚加熱ヒーターを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の押圧加熱ヒーターの一実施形態を示す斜視図であり、（ｂ）は同図（ａ）の分解斜視図である。
【図２】（ａ）は本発明の押圧加熱ヒーターに用いられる制御用熱電対を示す断面図であり、同図（ｂ）は本発明の押圧加熱ヒーターにおけるセラミックヒーター及び制御用熱電対を示す部分断面図である。
【図３】従来の押圧加熱ヒーターを示す斜視図である。
【図４】従来の押圧加熱ヒーターに用いる制御用熱電対の断面図である。
【図５】本発明実施例及び比較例の温度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１：セラミックツール
２：セラミックヒーター
３：セラミック体
４：発熱体
５：ホルダー
６：制御用熱電対
７：取付け穴
８：測温点[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
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 chip is mounted on a substrate.
[0002]
[Prior art]
As a method for mounting a semiconductor bare chip on a substrate, an ACF connection method using a resin adhesive such as an anisotropic conductive film (ACF), or Au-Si, Au-Sn, etc. used for a multi-chip module, etc. A flip chip connecting method using a low melting point brazing material has been performed.
[0003]
For example, in the flip chip connection method, a semiconductor chip is placed on a multilayer package substrate, and bonding is performed by pressing while heating with a pressure heater equipped with a ceramic heater from the upper surface. Wiring can be performed while bonding with an adhesive such as solder bumps provided for both.
[0004]
Such a pressure heater first efficiently transfers heat necessary for softening or melting an adhesive used to a solder bump or other adhesive via a semiconductor chip, which is an important factor in the semiconductor industry. From the viewpoint, it is required that the temperature rise time to the required temperature is short, the temperature drop time until the adhesive is solidified after bonding is short, and further, the temperature raising / lowering speed is increased, as shown in FIG. A ceramic tool 11 for pressing a heated object such as a semiconductor chip, a heating element embedded in a ceramic body with high thermal conductivity, a ceramic heater 12 for heating the ceramic tool 11, and these members The holder 15 is supported, and the temperature of the ceramic heater 12 is controlled on the side of the ceramic heater 12. Mounting holes 17 are provided for disposing the control thermocouple 16 for a portion of the control thermocouple 16 via the adhesive agent is fixed.
Further, as shown in FIG. 4, the control thermocouple 16 has a temperature measuring point 18 formed by joining a pair of strands made of different metals, and the junction having the temperature measuring point 18 is connected to each strand. The tip portions of the heaters are joined together by burner welding, and the spherical joint portion is fixed in a mounting hole 17 provided in the vicinity of the temperature measuring position of the ceramic heater 12 to measure the temperature. 12 is a mechanism for controlling the power supplied to 12.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the control thermocouple 16 provided in the conventional pressure heating heater joins the ends of a pair of strands by burner welding, the joint portion including the temperature measuring point 18 has a large spherical shape. However, the detection sensitivity of the control thermocouple 16 is reduced.
[0006]
If the joint has a spherical shape with a large diameter, the distance between the temperature measuring point 18 and the temperature measuring position of the ceramic heater 12 is increased, and an accurate temperature cannot be detected, and the detected temperature is higher than the actual temperature of the ceramic heater 12. When the temperature is low, excessive electric power is supplied to the ceramic heater 12, and the ceramic heater 12 is damaged or disconnected, so that it cannot be used for a long time. Furthermore, since the control thermocouple 16 has been inserted from the mounting hole 17 opened in the side surface of the ceramic heater 12, positional displacement or occur when a load is applied from the outside, since it easily dislodged, the ceramic heater 12 The detection sensitivity that follows the temperature change is lowered, and the accurate temperature cannot be measured.
[0007]
The present invention has been devised in view of the above-described drawbacks, and an object of the present invention is to provide a highly accurate pressure heater that has high detection sensitivity and can measure the temperature of a ceramic heater in a short time.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The pressing heater of the present invention is a pressing heater for pressing and heating a semiconductor chip having an electrode on the lower surface from the upper surface side, and directly bonding the substrate to a substrate having a wiring layer, wherein the heating element is disposed in the ceramic body. An embedded ceramic heater, and a control thermocouple having a temperature measuring point disposed in a mounting hole provided in the ceramic heater and having a pair of strands of different compositions joined to each other. rather smaller than the sum of the wire diameter of the diameter of the joint each wire pair, together with the temperature measuring point is located at a distance of the heating element and 0.5 to 1 mm, the diameter of the wires Is 0.2 mm or less, the diameter of the mounting hole is within three times the wire diameter of each element wire, and the control thermocouple is arranged to have a plurality of bent portions. It is.
[0011]
Also, pressing the heater of the present invention is characterized in that the control thermocouple is provided two or more.
[0012]
According to the press heater of the present invention, since the diameter of the joint portion of the control thermocouple to which the strands are joined is smaller than the sum of the wire diameters of the strands, the volume of the joint portion is small and the heat capacity is also small. Therefore, the detection sensitivity of the control thermocouple is improved, and the accurate temperature can be measured in a short time, and a highly accurate pressure heater can be obtained.
[0013]
Further, according to the press heater of the present invention, the temperature measuring point of the control thermocouple is disposed at a distance of 0.5 to 1 mm from the heating element of the ceramic heater. The distance between the temperature measuring point and the temperature measuring position of the ceramic heater is small, and an accurate temperature can be detected in a shorter time.
[0014]
Further, according to the press heater of the present invention, since the control thermocouple is arranged to have a plurality of bent portions, the temperature measuring point of the control thermocouple is also applied when a load is applied from the outside. In this case, the positional deviation from the temperature measurement position of the ceramic heater is kept constant, and the temperature measurement with high detection sensitivity can be performed without causing any positional deviation.
[0015]
Furthermore, since two or more control thermocouples are provided, one can be used as a control thermocouple, and the other can be used as a temperature monitor for overheating. even if the positional deviation or abnormality by an external force or the like occurs in not that excessive power is supplied, it is possible to obtain a more reliable the pressing heater.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Pressing heater of the present invention, as the exploded perspective view shown in a perspective view and FIG shows an embodiment of FIG. 1 (a) (b), a ceramic tool for pressing the object to be heated such as a semiconductor chip 1, a heating element 4 embedded in a ceramic body 3, a ceramic heater 2 for heating the ceramic tool 1, and a holder 5 for integrating these members and connecting them to other members. A mounting hole 7 is provided on the side surface 2 and a temperature measuring point of the control thermocouple 6 is arranged.
[0017]
The ceramic tool 1 is made of an aluminum nitride sintered body, a silicon carbide sintered body, a silicon nitride sintered body, or the like, and a vacuum drawing hole 1a for vacuum-adsorbing an object to be heated such as a semiconductor chip on the upper surface thereof. Are formed in the ceramic heater 2 and the holder 5 formed on the lower surface thereof, and all these vacuum holes are penetrated. This is a mechanism for vacuum-sucking the semiconductor chip on the upper surface of the ceramic tool 1.
[0018]
In addition, the ceramic tool 1 is prepared by adding, for example, alumina, yttria, which are sintering aids, to an aluminum nitride powder which is a main component so as to have a desired composition, and a non-aqueous system such as methanol or isopropyl alcohol (IPA). After mixing with a solvent and media such as alumina in a ball mill or vibration mill, the resulting aluminum nitride slurry is dried by an explosion-proof dryer at about 120 ° C. for 24 hours, and then spray-dried, dry granulated, wet granulated After mixing a desired organic binder with the powder obtained by the method, etc., after molding by press molding and CIP molding to obtain a molded body, the organic binder is scattered through a degreasing process at a temperature of about 500 to 700 ° C. Baked at a temperature of about 1800-2000 ° C. in a nitrogen atmosphere or hot pressed in a carbon mold It is produced by the.
[0019]
The ceramic tool 1 is preferably a ceramic having a high thermal conductivity of 100 W / m · K or higher, which prevents a decrease in the temperature around the ceramic tool 1 and heats the ceramic heater 2 to the ceramic. It can be efficiently transmitted to the tool 1 side, and the temperature distribution of the semiconductor chip placed on the upper surface thereof can be kept constant.
[0020]
Further, a ceramic heater 2 is formed on the lower surface of the ceramic tool, and heats an object to be heated such as a semiconductor chip mounted on the upper surface of the ceramic tool 1 .
[0021]
The ceramic heater 2 has a heating element 4 made of conductive ceramic or metal embedded in a ceramic body 3 such as a silicon nitride sintered body or a silicon carbide sintered body. 2% to 10% by mole of rare earth element oxide as a sintering aid in mol% of silicon nitride, 0.2 to 2.0% by weight of alumina and silicon oxide based on the total amount of silicon nitride and rare earth element oxide, After adjusting the raw material powder by adding and mixing 1 to 5% by weight, a molded body of a predetermined shape is obtained by a press molding method or the like, and the molded body is suitable for tungsten, molybdenum, rhenium, etc., or their carbides, nitrides, etc. A heating element paste is prepared by adding and mixing various organic solvents and solvents, and this is printed on the shape of the heating element 4 by a screen printing method or the like. 00 ℃ temperature or hot press firing of, or be fired at about 1700~1850 ℃ at in more than 10 atm of nitrogen atmosphere. After that, after grinding the obtained sintered body to a predetermined size, the position and distance of the heating element 4 are confirmed by X-rays, ultrasonic waves, etc., and the mounting holes 7 are formed on the heating element 4 by ultrasonic machining or the like. After being provided in the vicinity, a part of both ends of the heating element 4 is exposed from the ceramic body 3, a paste containing titanium on silver as a main component is applied, and baked in vacuum to form a metallization. After nickel plating is applied to the metallized plate, it is manufactured by attaching a lead wire in a vacuum or in a non-oxidizing atmosphere using a brazing material such as silver-copper and energizing through the lead wire. This is a mechanism for heating the heating element 4 by the above.
[0022]
The ceramic body 3 is preferably formed of a silicon nitride sintered body. When the heating element 4 is embedded in the ceramic body 3, oxygen in the air diffuses to the vicinity of the heating element 4 during operation, and heat is generated. The body 4 is effectively prevented from being oxidized and disconnected, and the high-temperature strength is made extremely high to maintain electrical insulation and durability.
[0023]
Furthermore, if the thermal conductivity of the ceramic body 3 is set to 50 W / m · K or more at room temperature, the heat of the heating element 4 can be transmitted to the entire ceramic body 5 in a short time and temperature unevenness can be prevented. If the thickness is set in the range of 1 to 2 mm, the heat capacity can be reduced and the heating rate can be increased while maintaining the mechanical strength of the ceramic heater 2 high. When mounted on the wiring board, the ceramic heater 2 can be mounted in a short time without causing breakage such as cracks.
[0024]
Further, the in the ceramic heater 2, the control thermocouple 6 via an inorganic adhesive or the like is fixed to the mounting hole 7, and supplies the detected temperature of the ceramic heater 2 to the heating element 4 in the ceramic heater 2 current It works to adjust the value to the desired temperature.
[0025]
As shown in FIG. 2 (a), the control thermocouple 6 has a joint A in which the tips of the first strand 6a and the second strand 6b made of metals of different compositions are connected. A boundary portion of A is a temperature measuring point 8. The first strand 6a and the second strand 6b are made of an alloy mainly composed of nickel and chromium (chromel), an alloy composed mainly of nickel and mixed with aluminum, silicon, and manganese (alumel), copper, constantan, platinum, and the like. There is a combination such as platinum rhodium, and a combination suitable for the heat generation temperature and conditions of the ceramic heater 2 is used. Then, the tips of the first strand 6a and the second strand 6b are crossed, joined by spot welding, and the periphery thereof is covered with an insulating layer made of a glass fiber tube or the like, and the diameter of the joint A is the first. It is important to make it smaller than the sum of the wire diameters of the strand 6a and the second strand 6b.
[0026]
Here, the diameter of the joint A is made smaller than the sum of the wire diameters of the first strand 6a and the second strand 6b, thereby reducing the heat capacity of the junction A including the temperature measuring point 8 for control. The detection sensitivity of the thermocouple 6 can be improved, and the temperature change of the ceramic heater 2 can be measured accurately and in a short time. In addition, by joining the tips of the first strand 6a and the second strand 6b by spot welding, the diameter of the joint A can be made smaller than the sum of the diameters of the strands. The diameters of the first strand 6a and the second strand 6b are preferably set to 0.2 mm or less, respectively, so that the heat pulling is small and more accurate temperature measurement is possible. The accuracy of temperature control can be improved.
[0027]
Furthermore, the temperature measuring point 8 of the control thermocouple 6 is disposed at a distance K of 0.5 to 1.0 mm from the heating element 4 of the ceramic heater 2 as shown in the cross-sectional view of FIG. Preferably, the temperature of the ceramic heater 2 can be detected accurately and in a short time by arranging in this way. If the distance between the heating element 4 and the temperature measuring point 8 is less than 0.5 mm, insulation distance between the heating body 4 has Re emesis causing dielectric breakdown without being secured, on the other hand, when it exceeds 1 mm, control difference between the measured temperature and the actual temperature of the ceramic heater 2 of the thermocouple 6 is increased by supplying the excessive power to the ceramic heater 2, there is Re emesis result in damage to the ceramic heater 2. In order to set the distance K between the heating element 4 embedded in the ceramic heater 2 and the temperature measuring point 8 of the control thermocouple 6 to 0.5 to 1.0 mm, the joint A of the control thermocouple 6 is The distance K can be adjusted by machining the diameter to a small size, cutting the tip, and adjusting the distance K. The distance K can be confirmed by transmission X-rays.
[0028]
Furthermore, the control thermocouple 6 is preferably arranged so as to have a plurality of bent portions 6c as shown in FIG. 1 (b), and is held along the side surface of the holder 5, A mounting hole 7 provided in the ceramic heater 2 is provided with a bent portion 6c having a bent portion 6c from a hole 5A or a groove opened on the side surface, and inserted into a hole 5B formed toward the center of the holder 5 with the bent portion 6c. The temperature measuring point 8 of the control thermocouple 6 is arranged in the vicinity of the heating element 4 and has two bent portions 6c when a load is applied from the outside. The position does not shift, and temperature measurement can be performed with high accuracy following the temperature change of the ceramic heater 2.
[0029]
If the diameter of the mounting hole 7 is within three times the diameter of the first strand 6a and the second strand 6b of the control thermocouple 6, the joint A of the control thermocouple 6 is attached to the mounting hole. 7 can reduce the filling amount of the low thermal conductivity inorganic adhesive fixed in the inside 7, so that an accurate temperature can be measured in a shorter time.
[0030]
In order to arrange the control thermocouple 6 as described above, holes 5A, 5B or T -shaped grooves are formed in the holder 5 by ultrasonic machining or the like, and the mounting holes 7 are formed in the ceramic heater 2 in advance. Then, the control thermocouple 6 is inserted into the holes 5A, 5B or the groove from the side surface of the holder 5, the joint A is inserted into the mounting hole 7, and the inorganic adhesive is filled. It is fixed by drying for 24 hours at 250 ° C. for 3 hours.
[0031]
Further, it is preferable that two or more control thermocouples 6 are disposed. If a thermocouple for temperature monitoring is disposed in the vicinity of the heating element 4 of the ceramic heater 2 in addition to the control thermocouple 6, the control thermocouple 6 is controlled. In the unlikely event that an abnormality occurs in the thermocouple 6 or when an unexpected displacement occurs and overpower is supplied to the ceramic heater 2, the temperature monitor thermocouple detects an overtemperature rise and the ceramic The power supply to the heater 2 is interrupted, and a more reliable pressure heater can be obtained. Furthermore, it is preferable that the control thermocouple 6 and the temperature monitor thermocouple are arranged symmetrically with respect to the center of the heating element 4 of the ceramic heater 2, and the temperature of the ceramic heater 2 is measured uniformly. The difference in the detected temperature between the control thermocouple 6 and the temperature monitoring thermocouple can be extremely reduced.
A holder 5 made of a heat insulating material and a support is formed on the lower surface of the ceramic tool 1 and the ceramic heater 2, and the heat insulating material is a mullite or mullite cordierite having a porosity of about 5 to 30%. It is made of ceramics such as, and has the effect of effectively transferring heat generated by the ceramic heater 2 to the ceramic tool 1 side.
[0032]
Further, the support is for integrating the parts such as the ceramic heater 2 on the lower surface of the heat insulating material and bonding them to other members, and has a low thermal conductivity such as silicon nitride, ceramics such as alumina, and metals such as stainless steel. Consists of.
[0033]
When this pressure heater is used, Joule heat is generated when electric power is applied by the electric resistance of the heating element 4 of the ceramic heater 2, and the ceramic tool 1 having high thermal conductivity is vacuum-adsorbed on the upper surface of the ceramic heater 2. By controlling the semiconductor chip vacuum-adsorbed on the upper surface while heating, the temperature required to melt the low melting point brazing material is controlled when mounting on the wiring board via the low melting point brazing material. This is a mechanism in which the temperature is detected by the thermocouple 6 for control.
[0034]
In addition, the press heater of this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, A various change is possible if it is a range which does not deviate from the summary of this invention.
[0035]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
[0036]
Example 1
As an example of the present invention, a pressure heater as shown in FIG. 1 was prepared and its characteristics were measured.
[0037]
First, using a ceramic tool made of an aluminum nitride sintered body, 90 to 92 mol% of silicon nitride as a main component, 2 to 10 mol% of rare earth element oxide as a sintering aid, alumina, oxidation After adjusting the raw material powder by adding and mixing silicon in an amount of 0.2 to 2.0% by weight and 1 to 5% by weight with respect to the total amount of silicon nitride and rare earth element oxide, the raw material powder is formed into a compact by a press molding method. A heating element paste is prepared by adding and mixing an appropriate organic solvent and solvent with tungsten on the upper surface of the molded body, printed by screen printing, and the above-mentioned molded body is stacked and adhered on the upper surface to obtain a carbon mold. hot (in a nitrogen atmosphere at 10 atm) by a press and fired at about 1700-1,850 ° C. in a medium, and grinding to 35 mm × 45 mm, while confirming the position of the heating element at X-ray, originating By ultrasonic machining the body at a distance of 1mm to form a mounting hole of the control thermocouple, to expose part of the heating element to form an electrode take-out portions connecting the lead wire, the thermal conductivity of 5W / m · K Bonded to the holder made of the following fluorophlogopite ceramics.
[0038]
In the mounting hole, an alumel-chromel strand having a wire diameter of 0.2 mm was joined by spot welding, and a control thermocouple having a joint diameter of 0.2 mm and 0.3 mm was arranged.
[0039]
Further, as a comparative example, a sample is prepared in which an alumel-chromel wire having a wire diameter of 0.2 mm is joined by burner welding, and a control thermocouple having a spherical shape with a joint diameter of 0.5 mm is arranged.
[0040]
FIG. 5 shows a desired temperature change and a state of the temperature change of each sample by raising the temperature of the pressure heater sample in which each control thermocouple is arranged to 50 to 450 ° C. in 2.5 seconds.
[0041]
As can be seen from FIG. 5, the sample using the control thermocouple of the present invention, whose joint diameters are 0.2 mm and 0.3 mm, which is smaller than the sum of the diameters of the individual wires, has an overshoot of 9 when the temperature changes. It was found that the temperature measurement point was stable at 450 ° C. within 3 seconds or less, and the temperature change was very close to the desired temperature change.
[0042]
On the other hand, the sample in which the thermocouple for control with a joint diameter of 0.5 mm is arranged has overshoots at 490 ° C and 40 ° C in the temperature change, and the temperature measurement point becomes stable at 450 ° C. It was found that it takes about 9 seconds.
[0043]
(Example 2)
A pressure heater sample as shown in FIG. 1 is prepared in the same manner as described above, and is composed of an alumel-chromel strand having a wire diameter of 0.2 mm, and a thermoelectric for control having a joint diameter including a temperature measuring point of 0.3 mm. pair, measuring the distance from the hot point and the heating element of the ceramic heater samples were placed so that the distance as shown in Table 2 while checking by X-ray prepared one not a three each, for each sample of the ceramic heater The temperature was measured with a control thermocouple, and the surface temperature of the ceramic heater when the control thermocouple detected 500 ° C. was measured with a thermoviewer and compared.
[0044]
The surface temperature of the ceramic heater by the thermoviewer was obtained by taking a 10 mm square at the center of the ceramic heater, measuring the temperature at the four corners, and calculating the average.
[0045]
The results are shown in Table 1.
[0046]
[Table 1]

[0047]
As is clear from Table 1, the samples (Nos. 4 to 9) whose distance between the temperature measuring point of the control thermocouple and the heating element of the ceramic heater is 0.5 mm and 1 mm (No. 4 to 9) have a temperature of 500 ° C. for the control thermocouple. The difference from the temperature measurement value with the thermoviewer at the time of detection was as small as 3 ° C. or less, and it was found that the sensitivity of the control thermocouple was very high.
[0048]
On the other hand, in the sample (No. 7 to 9) in which the distance between the temperature measuring point of the control thermocouple and the heating element of the ceramic heater is 1.3 mm, the difference between the temperature measured value of the control thermocouple and the thermoviewer is It was found that the sensitivity was large at 9 ° C or higher and the sensitivity was low. Further, it was found that two of the three samples (Nos. 1 to 3) in which the distance between the temperature measuring point of the control thermocouple and the heating element of the ceramic heater was 0.3 dielectric breakdown.
[0049]
【The invention's effect】
According to the press heater of the present invention, since the diameter of the joint portion of the control thermocouple to which the strands are joined is smaller than the sum of the wire diameters of the strands, the volume of the joint portion is small and the heat capacity is also small. Therefore, the detection sensitivity of the control thermocouple is improved, and the accurate temperature can be measured in a short time, and a highly accurate pressure heater can be obtained.
[0050]
Further, according to the press heater of the present invention, the temperature measuring point of the control thermocouple is disposed at a distance of 0.5 to 1 mm from the heating element of the ceramic heater. The distance between the temperature measuring point and the temperature measuring position of the ceramic heater is small, and an accurate temperature can be detected in a shorter time.
[0051]
Further, according to the press heater of the present invention, since the control thermocouple is arranged to have a plurality of bent portions, the temperature measuring point of the control thermocouple is also applied when a load is applied from the outside. In this case, the positional deviation from the temperature measurement position of the ceramic heater is kept constant, and the temperature measurement with high detection sensitivity can be performed without causing any positional deviation.
[0052]
Furthermore, since two or more control thermocouples are provided, one can be used as a control thermocouple, and the other can be used as a temperature monitor for overheating. Even when a positional deviation or abnormality occurs due to the external force or the like, overpower is not supplied, and a thicker heater with higher reliability can be obtained.
[Brief description of the drawings]
1A is a perspective view showing an embodiment of a pressure heater according to the present invention, and FIG. 1B is an exploded perspective view of FIG.
FIG. 2A is a cross-sectional view showing a control thermocouple used in the press heater of the present invention, and FIG. 2B shows a ceramic heater and a control thermocouple in the press heater of the present invention. It is a fragmentary sectional view.
FIG. 3 is a perspective view showing a conventional pressure heater.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a control thermocouple used in a conventional pressure heater.
FIG. 5 is a graph showing a temperature change of an example of the present invention and a comparative example.
[Explanation of symbols]
1: Ceramic tool 2: Ceramic heater 3: Ceramic body 4: Heating element 5: Holder 6: Thermocouple for control 7: Mounting hole 8: Temperature measuring point

Claims

A pressure heater for pressing and heating a semiconductor chip having an electrode on the lower surface from the upper surface side, and directly bonding on a substrate having a wiring layer, a ceramic heater in which a heating element is embedded in a ceramic body, A thermocouple for control having a temperature measuring point, which is disposed in a mounting hole provided in the ceramic heater, and which joins a pair of strands of different compositions, and the diameter of the joint portion of the thermocouple for control is the aforementioned rather smaller than the sum of the wire diameter of the wires, together with the temperature measuring point is located at a distance of the heating element and 0.5 to 1 mm, wire diameter of 0.2mm or less and the mounting of the element wires A pressure heater , wherein a diameter of a hole is within three times of a diameter of each of the strands, and the control thermocouple is arranged to have a plurality of bent portions .

The press heater according to claim 1, wherein two or more control thermocouples are provided.