JP2009071202A - プレートの固定機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体素子パッケージを加熱保持し、半導体チップをダイボンディングするためのヒータプレートと、ヒータを内蔵し任意の温度に加熱できるヒータブロックとを、従来は螺子で縦方向に締結していた。半導体素子の種類を変更するときはヒータプレートを交換しなければならない。ヒータプレート、ヒータブロックは高温になるので、螺子が穴に焼き付いてしまい、螺子が廻らず潰れてしまうことがある。
【解決手段】 熱膨張率の異なる材料でヒータブロックとヒータプレートを作製することとし、ヒータブロック上面とヒータプレート底面のいずれかに、熱膨張率の大きい方の部材には凸部を、熱膨張率の低い方には凹部を形成して、凹部と凸部を常温で僅かな隙間を持つように嵌合し加熱すると、凹部、凸部が膨張して嵌合部に圧縮応力が働くようにする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、半導体素子パッケージを一時的に保持し加熱して半導体チップをダイボンディングするためのヒータプレートと、ヒータを内蔵しヒータプレートを加熱するヒータブロックの相互の固定機構に関する。

図１によって従来のヒータプレートとヒータブロックの固定構造を説明する。半導体素子パッケージの保持機構と熱電対を内蔵するヒータプレート２と、ヒータを内蔵するヒータブロック３が上下に積み重ねられる。ヒータプレート２の中央には保持座があって、そこに被実装素子パッケージ４が保持されている。被実装素子パッケージ４は発光素子、受光素子、これらと増幅器などを組み合わせた素子など任意の素子のパッケージである。

ヒータプレート２の側面には熱電対端子７があり、ここから熱電対引き出し線７７が外部へ延びている。内部に熱電対が挿通され、被実装素子パッケージ４の温度を測定している。ヒータブロック３は内部にヒータを内蔵する。側面にヒータの給電端子６、６がある。ここからヒータ用給電線７６が外部に延びている。

ヒータプレート２もヒータブロック３もステンレス、鉄などの金属ブロックである。底面や上面がほぼ平坦な板である。上方のヒータプレート２には複数の螺子通し穴１０がある。ヒータブロック３にも雌螺穴（図示しない）があって、ここに縦方向に螺子１１を差し入れてきつく締結してある。螺子１１の作用でヒータブロック３にヒータプレート２が固定される。これとは反対に、ヒータブロックに通し穴が、ヒータプレートに雌螺穴があって螺子を上向きにしてヒータブロックをヒータプレートに固定するようなものもある。

何れにしても、螺子でヒータプレートとヒータブロックを固定するから相互間の熱伝導もよく安定している。

同じ種類のパッケージに同じ種類の半導体素子チップを常に実装するのであれば、同じヒータプレートとヒータブロックの組み合わせで良いので螺子を外す必要はない。ところが被実装素子パッケージ４の種類が変更されることもある。そうするとピンの配置、パッケージ形状が変わるので、上方のヒータプレート２を変更させなければならない。ヒータプレート２の螺子を外してヒータブロックから離し、必要なヒータプレート２を持ってきて、ヒータブロック３に固定しなければならない。

しかしながらこれが簡単でない。ヒータプレート２、ヒータブロック３は４００℃以上の高温に昇温して用いることもある。昇温降温を繰り返すことも多い。そうすると螺子が螺穴に焼き付いてしまう。さらに螺子が加熱冷却の繰り返しで脆くなる。そのためにドライバーで外そうとした時、螺子溝がつぶれたり螺子が折れたりしてしまい、螺子穴から取れないことがある。そうなるとそのヒータプレート２もヒータブロック３も使えなくなる。

特許文献１は半導体ウエハ−の周縁に樹脂の円環を形成するための金型であるヒータプレートと、その下に固定するヒータプレートの新規な結合方法を提案している。螺子止めするのはこれまでと変わらないが、ヒータプレートの下にＴ字状突起を、ヒータブロックの上にＴ字突起が入る一文字型穴とそれに続く円穴を設けている。ヒータプレートのＴ字状突起を、ヒータブロックの一文字穴に入れ９０度捻ると、ヒータプレートがヒータブロックから抜けなくなる。仮固定した状態で螺子通し穴に螺子を通し螺子止めするというものである。

これは熱硬化性樹脂の硬化温度までしか加熱しないので、螺子の焼き付きという問題はない。だから固定に螺子を使っている。仮止めにＴ字型の突起と直線穴の組み合わせを用いる。特許文献２はワイヤボンデイング装置に基板を置いて加熱するヒータプレートと、それを加熱するヒータブロックの組み合わせにおいて、半導体デバイスの種類が変わるとヒータプレートを変える必要があり、いちいち螺子を外して分解し、新しいヒータプレートをつけて螺子止めするのは手間がかかり、作業性が悪いということを問題にする。

ヒータプレートに凹部と皿螺子を取り付け、ヒータブロックには彎曲バネ板を螺子止めし、皿螺子の頭を押さえるための押さえ片を設けておく。傾けたヒータプレートの端をヒータブロックの端に合わせ彎曲バネ板でヒータプレートの端を押さえ、ヒータプレートを下ろし皿螺子の頭を押さえ片の下へ差し込む。彎曲バネ片の弾力性でヒータプレートが下ろされるから、皿螺子が押さえ片で押さえられる。外すときは、手でヒータプレートを彎曲バネ板の方へ押す。すると皿螺子頭部が押さえ片から外れるので、ヒータプレートを持ち上げることができる。

特許文献３もワイヤボンデイング装置の基板を保持し加熱するヒータプレートと、それを加熱するヒータブロックの組み合わせを変更しやすいように特許文献２と同様の彎曲バネ片、皿螺子頭部、押さえ片を使った仮固定機構を提案している。
特許文献１〜３は何れも半導体素子のボンディング装置のヒータプレート、ヒータブロックで加熱温度は２５０℃程度で比較的低温である。従って、螺子の脆弱化、焼き付きなどを問題にしていない。ただ螺子の離脱、契合が煩雑であるから、より容易な仮組み合わせ機構を提案しているだけである。

特開平０５−２０６１８７ 特開平０８−０３１８５８ 特開平０８−０３１８８２

螺子の焼き付き、螺子の破損などの問題がないヒータプレートとヒータブロックの結合構造を提供することが本発明の第１の目的である。冷却時に、ヒータプレートのヒータブロックからの離脱が容易なヒータプレートとヒータブロックの結合構造を与えることが本発明の第２の目的である。ヒータプレートを繰り返し交換しても、ヒータブロックやヒータプレートが劣化しないヒータプレートとヒータブロックの結合構造を与えることが本発明の第３の目的である。

本発明は、熱膨張率の違う材料でヒータプレートとヒータブロックを作り、熱膨張率の大きい方には凸部を、熱膨張率の小さい方には、ほぼ同じ寸法の凹部を設け、常温では隙間を持つ様に嵌合させ、温度上昇によって隙間がなくなるようにし、ボンディング温度Ｔｍでは凹凸の嵌合面に圧縮応力が働いて、ヒータブロックとヒータプレートが結合するようにする。

より具体的には、半導体素子パッケージを保持し加熱してチップをダイボンディングするためのヒータプレートを、ヒータを内蔵し任意の温度に加熱できるヒータブロックの上に固定するため、ヒータブロックとヒータプレートを熱膨張率の異なる材料で作製し、ヒータブロックの上面とヒータプレートの底面の何れかの熱膨張率の大きい方には凸部を熱膨張率の小さい方には凹部を設け、凹部と凸部を常温で僅かな隙間を持って嵌合し、加熱することによって隙間を減らし、ボンディング温度Ｔｍより低い零隙間温度Ｔｃで隙間を０とし、それ以上の温度ではヒータプレートとヒータブロックの凹部、凸部の側面の間で圧縮応力が発生し、ボンディング温度Ｔｍではヒータプレートとヒータブロックが結合しており、常温Ｔ_０に冷却すると隙間ができてヒータプレートをヒータブロックから取り外すことができるようにした。

或いは熱膨張率の大きい別部材を用い、ヒータプレート、ヒータブロックの穴に常温で挿入し、加熱して隙間を減らし、ボンディング温度では別部材と穴との間に圧縮応力が働くようにする。

棒状の固定スティックを穴との嵌合に用いることができる。より具体的には、半導体素子パッケージを保持し加熱してチップをボンディングするためのヒータプレートを、ヒータを内蔵し任意の温度に加熱できるヒータブロックの上に固定するため、ヒータブロックとヒータプレートに上下方向に共通する穴を穿孔し、常温Ｔ_０で穴より僅かに小さい直径を持ち、ヒータブロックとヒータプレートの熱膨張率より大きい熱膨張率を有する固定スティックを、常温Ｔ_０で僅かな隙間を有しながらヒータプレートとヒータブロックの穴に入れ、加熱することによって隙間を減らし、ボンディング温度Ｔｍより低い零隙間温度Ｔｃで穴と固定スティックの隙間を０とし、それ以上の温度ではヒータプレートとヒータブロックの穴と固定スティックの間で圧縮応力が発生するようにし、ボンディング温度Ｔｍではヒータプレートとヒータブロックが固定スティックを介して結合しており、常温Ｔ_０に冷却すると穴と固定スティックの間に隙間ができて、ヒータプレートをヒータブロックから取り外すことができるようにした。
本願発明のプレートの固定機構は、半導体素子パッケージを保持し加熱して半導体チップをダイボンディングするためのヒータプレートを、ヒータを内蔵し任意の温度に加熱できるヒータブロックの上に固定するため、ヒータブロックとヒータプレートを熱膨張率の異なる材料で作製し、ヒータブロックの上面とヒータプレートの底面の何れかの熱膨張率の大きい方には凸部を、熱膨張率の小さい方には凹部を設け、凹部と凸部を常温で僅かな隙間を持って嵌合し、加熱することによって隙間を減らし、ボンディング温度Ｔｍより低い零隙間温度Ｔｃで隙間を０とし、それ以上の温度ではヒータプレートとヒータブロックの凹部、凸部の側面の間で圧縮応力が発生するようにし、ボンディング温度Ｔｍではヒータプレートとヒータブロックが結合しており、常温Ｔ_０に冷却すると隙間ができて、ヒータプレートをヒータブロックから取り外すことができるようにした事を特徴とする。この機構であれば、螺子やナットを使わないから螺子の焼きつきという問題を無くすことができる。
本願発明のプレートの固定機構は、ヒータブロックの熱膨張率がヒータプレートの熱膨張率より大きくて、ヒータブロックの上面に凸部が、ヒータプレートの底面に凹部が形成されている事を特徴とする。この構造であれば、温度上昇によってヒータブロック凸部とヒ−タプレート凹部が強く圧縮しあってヒ−タプレートとヒータブロックが結合することができる。
本願発明のプレートの固定機構は、ヒータブロックの熱膨張率がヒータプレートの熱膨張率より小さくて、ヒータブロックの上面に凹部が、ヒータプレートの底面に凸部が形成されている事を特徴とする。この構造であれば、温度上昇によってヒータブロック凹部とヒ−タプレート凸部が強く圧縮しあってヒ−タプレートとヒータブロックが結合することができる。
本願発明のプレートの固定機構は、凹部の両側に上下交互の切欠きによって形成された弾性片を形成した事を特徴とする。この構造であれば、凸部と凹部の間にかかる圧縮力を緩和できる。

本願発明のプレートの固定機構は、凸部の両側に上下交互の切欠きによって形成された弾性片を形成した事を特徴とする。この構造であれば、凸部と凹部の間にかかる圧縮力を緩和できる。
本願発明のプレートの固定機構は、ヒータブロックの熱膨張率α_３がヒータプレートの熱膨張率α_２より大きくて、ヒータブロックの上面の凸部の幅をＨ、常温での凹部と凸部の嵌合部隙間をＷ_０、ボンディング温度をＴｍとして、Ｗ_０＜（α_３−α_２）（Ｔｍ−Ｔ_０）Ｈである事を特徴とする。この構造であれば、ボンディング温度においてヒ−タプレートとヒータブロックが凹凸部において硬く嵌合することができる。
本願発明のプレートの固定機構は、ヒータブロックの熱膨張率α_３がヒータプレートの熱膨張率α_２より小さく、ヒータブロックの上面の凹部の幅をＨ、常温での凹部と凸部の嵌合部隙間をＷ_０、ボンディング温度をＴｍとして、Ｗ_０＜（α_２−α_３）（Ｔｍ−Ｔ_０）Ｈである事を特徴とする。この構造であれば、ボンディング温度においてヒ−タプレートとヒータブロックが凹凸部において堅く嵌合することができる。
本願発明のプレートの固定機構は、半導体素子パッケージを保持し加熱して半導体素子チップをダイボンディングするためのヒータプレートを、ヒータを内蔵し任意の温度に加熱できるヒータブロックの上に、半導体素子を一時的に保持し加熱して試験するためのヒータプレートを固定するため、ヒータブロックとヒータプレートに上下方向に共通する穴を穿孔し、常温Ｔ_０で穴より僅かに小さい直径を持ち、ヒータブロックとヒータプレートの熱膨張率より大きい熱膨張率を有する固定スティックを常温Ｔ_０で僅かな隙間を有しながらヒータプレートとヒータブロックの穴に入れ、加熱することによって隙間を減らし、ボンディング温度Ｔｍより低い零隙間温度Ｔｃで穴と固定スティックの隙間を０とし、それ以上の温度ではヒータプレートとヒータブロックの穴と固定スティックの間で圧縮応力が発生するようにし、ボンディング温度Ｔｍではヒータプレートとヒータブロックが固定スティックを介して結合しており、常温Ｔ_０に冷却すると穴と固定スティックの間に隙間ができて、ヒータプレートをヒータブロックから取り外すことができるようにした事を特徴とする。この構造であれば、ヒ−タプレート、ヒータブロック、スティックの温度をボンディング温度まで上げると固定スティックが膨張しヒータブロックとヒ−タプレートを結合することができる。
本願発明のプレートの固定機構は、ヒータブロックの熱膨張率α_３、ヒータプレートの熱膨張率α_２より固定スティックの熱膨張率βが大きくて、固定スティックが直円柱で直径をｄとし、常温での固定スティックとヒータプレート、ヒータブロックの穴の隙間をＵ_０、Ｓ_０、ボンディング温度をＴｍとして、
Ｕ_０＜ｄ（Ｔｍ−Ｔ_０）（β−α_２）
Ｓ_０＜ｄ（Ｔｍ−Ｔ_０）（β−α_３）
である事を特徴とする。この構造であれば、ヒ−タプレート、ヒータブロック、スティックの温度をボンディング温度まで上げると固定スティックが膨張しヒータブロックとヒ−タプレートを結合することができる。
本願発明のプレートの固定機構は、ヒータブロックの熱膨張率α_３、ヒータプレートの熱膨張率α_２より固定スティックの熱膨張率βが大きくて、固定スティックが途中に直径が大きい膨大部を有する段付き円柱であって、細い部分の直径をｄ、膨大部の直径をＤとし、常温での固定スティックの小さい直径部分とヒータプレート、ヒータブロックの小穴の隙間をＵ_０、Ｓ_０、固定スティックの膨大部とヒータプレート、ヒータブロックの大穴の隙間をＶ_０、Ｒ_０、ボンディング温度をＴｍとして、
Ｕ_０＜ｄ（Ｔｍ−Ｔ_０）（β−α_２）
Ｓ_０＜ｄ（Ｔｍ−Ｔ_０）（β−α_３）
Ｖ_０＜Ｄ（Ｔｍ−Ｔ_０）（β−α_２）
Ｒ_０＜Ｄ（Ｔｍ−Ｔ_０）（β−α_３）
である事を特徴とする。この構造であれば、ヒ−タプレート、ヒータブロック、スティックの温度をボンディング温度まで上げると固定スティックが膨張しヒータブロックとヒ−タプレートを結合することができる。

熱膨張率の異なる材料を組み合わせて、加熱された時だけヒータプレートとヒータブロックが結合された状態となる。常温に戻すとヒータブロックとヒータプレートは力を及ぼし合わない。単にヒータブロックの上にヒータプレートが乗っているだけとなる。よって常温ではヒータプレートを容易に取り外すことができる。取り付けも螺子が不要で単に置くだけでよいから簡単である。様々のヒータプレートを同じ共通のヒータブロックに交互に取り付ける作業が極めて簡単になる。また螺子のような消耗品がなくなるので、繰り返し使用できる組み合わせとなる。

ヒータプレートとヒータブロックの固定のために螺子通し穴、雌螺穴、螺子を使わない。従って、繰り返し高温低温に温度変化するが螺子が焼き付いて取れなくなるということはない。脆弱化した螺子が壊れるということもない。

［実施例１（凹凸組み合わせ：図２、図３、図４）］
熱膨張率の異なる材料でヒータプレート２とヒータブロック３を作製し、ヒータプレート２の底面と、ヒータブロック３の上面に相補的な凹部凸部を設け、それらを組み合わせて、熱膨張によって隙間を無くすようにした。凹部を設ける方の熱膨張率より、凸部を設ける方の熱膨張率を大きいものにする。
ここではヒータブロック３の上面に凸部を、ヒータプレート２の底面（下面）に凹部を設ける。ヒータブロック３の熱膨張率α_３が、ヒータプレート２の熱膨張率α_２より大きいものとする。つまりα_２＜α_３である。

反対に、ヒータブロック３の上面に凹部、ヒータプレート２の底面に凸部を設けてもよい。凸部側が高熱膨張率なので、その場合は、α_２＞α_３でなければならない。

図２において、ヒータプレート２は略平板状であるが底面には凹部がある。ヒータブロック３は上面に凸部がある。凹凸が相補的で、僅かな隙間で嵌め込むことができるような形状である。

ヒータプレート２の上面には実装すべき被実装素子パッケージ４を保持するための保持座４８がある。被実装素子パッケージ４は円形のステム４０の下にリードピン４４、４５を設けたものである。保持座４８のピン穴４９にリードピン４４、４５等を差し込むようになっている。熱電対端子７が側面にあって、ここから熱電対をヒータプレート２に導入し、被実装素子パッケージ４の直近温度を測定できるようになっている。ヒータブロック３内部にはヒータがあり、側面にその給電端子６がある。そのような構造は図１のものと同じである。

しかし図１に比べて、螺子通し穴、雌螺穴や螺子がない。さらに、ヒータプレート２の底面（下面）には凹部が、ヒータブロック３の上面には凸部がある。図２のように組み合わせると嵌合構造が良くわからない。図３は組み合わせる前のヒータブロック３の上面とヒータプレート２の底面を示す。

ヒータプレート２の底面の中央には前後に貫通するプレート凹部２０がある。これは末広がりになっているが、平行壁を持つ矩形凹部であってもよい。ヒータプレート２の上面の凹部２０の左右はプレート楔型対片８、８となっている。それらの境界は傾斜縦辺２３、２３である。これは凹部２０が斜めになっているから前後方向に傾斜がついているが、この傾斜は無くてもよい。傾斜縦辺２３の高さが、ヒータプレート２とヒータブロック３の間に働く熱応力の大きさを決める。プレート背面２４は凹型をした平坦な面である。プレート側面２６、２６は平坦面である。プレート前面２７も凹字型の平坦な面である。

ヒータブロック３は、ヒータプレート２の凹凸と相反する凹凸の形状となっている。中央に広いブロック楔型片９が形成されている。これがヒータプレート２の凹部２０に嵌まり込む。嵌合した状態では、ブロック楔型片９は、プレート楔型対片８、８で挟まれる。ブロック楔型片９の両側はブロック凹部３０となっている。ブロック凹部３０、３０と、ブロック楔型片９の境界は縦方向帯状の傾斜縦片３３、３３となっている。ヒータブロック３の後面には、止め片３２と後ろ当たり面３４が形成される。これは熱膨張によってヒータプレート２が後方へずれて抜けてしまうのを防ぎ、熱応力がヒータブロックとヒータプレートの間に作用するためのものである。

プレート凹部２０、ブロック凹部３０が平行面であれば熱応力によって前後にずれないので、止め片３２や後ろ当たり面３４は不要である。

ブロック側面３５、３６は平坦な面である。ブロック前面３７は凸字形状をした平坦面である。

常温ではブロック楔型片９の方が、プレート凹部２０より少し小さい。だからヒータブロック３にヒータプレート２を重ねることができる。その時の隙間をＷとする。ブロック楔型片９、プレート凹部２０の幅をＨとする。熱膨張率は凸部を持つ方が大きく、凹部を持つ方が小さいものとする。この場合はヒータプレート２が凹部を持つから熱膨張率は小さい。どちらもステンレスで作るとした場合、熱膨張率の異なるステンレスの組が存在しなければならない。

例えばＳＵＳ３０４（オーステナイト系）のステンレスと、ＳＵＳ４３０（フェライト系）のステンレスを組み合わせるとそのような熱膨張率差を得ることができる。ＳＵＳ３０４はＮｉを８％〜１０．５％、Ｃｒを１８％〜２０％含むステンレスで熱膨張率が大きい。ＳＵＳ４３０はＣｒを１６〜１８％含むステンレスで熱膨張率が低い。

ＳＵＳ３０４ 熱膨張率（α_３）＝１７×１０^−６／℃
ＳＵＳ４３０ 熱膨張率（α_２）＝１０×１０^−６／℃
である。

熱膨張率の差は、α_３−α_２＝７×１０^−６／℃程度もある。嵌合は常温Ｔ_０で行う。その後ヒータに通電して加熱するので、ヒータプレート２、ヒータブロック３の温度Ｔが上がる。それによってヒータプレート２の凹部２０、ヒータブロック３の凸部（ブロック楔型片９）が膨張する。ブロック楔型片９の方が余計に膨張する。隙間Ｗが減り、ある温度Ｔｃで隙間Ｗがなくなる。それ以上の温度になると、凸部と凹部の間に圧縮応力σが発生する。ブロック楔型片９、プレート凹部２０の常温での幅をＨとする。ブロック楔型片９とプレート凹部２０の熱膨張の差はΔＨ

ΔＨ＝（α_３−α_２）（Ｔ−Ｔ_０）Ｈ・・・（１）

となる。隙間Ｗは初めの嵌合時にＷ_０であるから、任意の加熱温度Ｔで

Ｗ＝Ｗ_０−ΔＨ・・・（２）
＝Ｗ_０−（α_３−α_２）（Ｔ−Ｔ_０）Ｈ・・・（３）

となる。実際には熱膨張は温度上昇に一乗で比例するとは限らないが一次近似では上記のようになる。よって、

Ｔｃ＝Ｔ_０＋Ｗ_０／（α_３−α_２）Ｈ・・・（４）

という温度Ｔｃで、ヒータブロック３の上面ブロック楔型片９の側面３３、３３が、プレートと凹部２０の傾斜縦辺２３、２３にピッチリ接触する。Ｔｃを零隙間温度という。

例えばブロック楔型片９の幅をＨ＝３０ｍｍ（３×１０^４μｍ）とする。Ｔ_０＝２５℃（常温）でヒータブロック３にヒータプレート２を重ねたとする。そのときの隙間Ｗ_０を３０μｍと仮定すると、

Ｗ_０／Ｈ（α_３−_２α）＝３０μｍ／３×１０^４μｍ×７×１０^−６／℃＝１４３℃となる。つまりヒータブロックとヒータプレートがＴｃ＝１６８℃になったときに、プレート凹部２０の傾斜縦辺２３、２３が傾斜縦辺３３、３３が密接する。これが零隙間温度となる。

それ以上に温度を上げるので、以後は傾斜縦辺２３、３３の間に圧縮応力σが発生する。実効的なヤング率をＥとすると、Ｔｃ以上の加熱温度（Ｔ＞Ｔｃ）では、圧縮応力σは、
σ＝Ｅ（α_３−α_２）（Ｔ−Ｔｃ）・・・（５）

となる。ここで実効的なヤング率Ｅというのは、ヒータプレート２、ヒータブロック３のその温度範囲でのヤング率Ｅ_２、Ｅ_３と

Ｅ^−１＝Ｅ_２ ^−１＋Ｅ_３ ^−１ ・・・（６）

という関係にある。これは零隙間温度Ｔｃを用いた表現であり、Ｔｃ以上で発生する圧縮応力σは上記の式によって評価できる。

零隙間温度Ｔｃを考えないで、常温から目的のボンディング温度Ｔｘまでの温度上昇による熱膨張から初めの隙間量を差し引いてこれから圧縮応力σを評価することもできる。例えばヒータプレート、ヒータブロックを３７５℃（＝Ｔｘ）まで加熱したとすると、ヒータプレート凹部２０、ヒータブロック凸部３９の膨張の差は

（α_３−α_２）（Ｔｘ−Ｔ_０）Ｈ＝７×１０^−６℃^−１×３５０℃×３×１０^４μｍ ＝７３．５μｍ・・・（７）

となる。常温で嵌め込んだときの隙間が３０μｍであったので、余分の４３．５μｍ分は締め込み代ｑとなる。これが凹部２０と凸部９の間に横方向の応力を発生させる。歪みはｑ／Ｈであるから、これにヤング率Ｅを掛ける圧縮応力σが計算される。しかし常温でのヤング率ではなくて加熱時でのヤング率である。これが分からないのではっきりと圧縮応力を評価できない。

温度Ｔでの金属材料のヤング率Ｅ（Ｔ）は常温でのヤング率Ｅ_０と

Ｅ（Ｔ）＝Ｅ_０−ＢＴｅｘｐ（−Ｔｂ／Ｔ）・・・（８）

という関係にある。Ｂ、Ｔｂは材料によって決まる定数である。上述のステンレスについてこれらのパラメータの値は分からない。例えば鋼鉄では常温の値に対し１０００℃でのヤング率は２／３程度に減る。ステンレスの場合も高温でのヤング率は低くなる。４００℃程であるから常温より少し弱くなるだけであろうと推定される。たとえばＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０のヤング率を

Ｅ＝２×１０^４ｋｇｆ／ｍｍ^２

だと仮定すると、圧縮応力σはσ＝Ｅｑ／Ｈであるから

σ＝２×１０^４（ｋｇｆ／ｍｍ^２）×（４３．５μｍ／３００００μｍ）
＝２９ｋｇｆ／ｍｍ^２・・・（９）

となる。これは横方向の力である。傾斜縦辺２３、３３の面積をσに掛けた値が全体の圧縮応力である。図４に示すように、接触部分が端面に対して傾斜しているから垂直分力Ｆ４、Ｆ５、Ｆ２、Ｆ３と、水平分力に分けることができる。その比率は傾斜角Θの正接ｔａｎΘである。圧縮応力によってヒータプレート２がヒータブロック３に対して後ろへ滑ろうとするが、ヒータブロック３の背面の後ろ当たり面３４によって、ヒータプレート２の動きは妨げられる。Ｆ６、Ｆ７或いはＦ８、Ｆ９の作用反作用でヒータプレートは後退しない。加熱している間は、熱膨張率の差によって生じた熱圧縮応力によってヒータプレート２はヒータブロック３に強く結合する。

それは単に接触しているだけである。常温に戻すと熱圧縮応力は消滅する。冷却すると自然に両者は離れる。螺子のように焼き付きが起こらない。螺子のように損耗するような部材はない。ヒータプレート２を簡単に取り替えることができる。加熱冷却の繰り返しによって膨張収縮するだけであり、常温では部材が自然に離隔するので、ヒータプレートの交換は容易である。螺子の焼き付きや螺子の破損などの問題が起こらない。

［実施例２（一部を弾性片とする：図５、図６）］
ボンディング温度Ｔｘが高過ぎて或いは熱膨張率の差が大き過ぎて、ヒータブロック３とヒータプレート２の間に発生する圧力が大き過ぎるということもある。その場合は、接触する部分の一部を切り欠き弾性を賦与して、実効的にヤング率Ｅを下げるようにする。ここではヒータプレート２の凹部の両側を弾性片にしているが、反対にヒータブロック３の凸部に弾性を賦与するようにしても良い。

図５はそのような実施例の斜視図である。図６は弾性片を示すための縦断面図である。熱膨張率の大きい方の材料に凸部を、小さい方の材料に凹部を設けて嵌合するという構造は同じである。この例ではヒータプレート２が熱膨張率の小さい材料を、ヒータブロック３が熱膨張率の大きい材料を使っている（α_２＜α_３）。ヒータプレート２は中央にプレート凹部２９を持つ。それにほぼ同じ寸法のブロック凸部３９がヒータブロック３の中央に形成される。ブロック凸部３９は長手方向に同一の断面を持ち少し頭部が広がった形状である。

ヒータプレート２の凹部２９の両側には上下に溝を切り欠いた弾性片２８が形成されている。これはワイヤソーなどで縦小溝を複数条交互に切ることによって形成される。実施例１と同じように、プレート凹部２９と、ブロック凸部３９の間には常温で隙間Ｗ_０がある。これが熱膨張率の差（α_３−α_２）と温度上昇のために狭くなる。

Ｗ＝Ｗ_０−（α_３−α_２）（Ｔ−Ｔ_０）Ｈ

ある温度Ｔｃで隙間が０になる。

Ｔｃ−Ｔ_０＝Ｗ_０／（α_３−α_２）Ｈ

このような点は実施例１と同様である。零隙間温度Ｔｃ以上の温度でブロック凸部３９の側面と、弾性片２８の側面の間に圧縮応力σが働く。ヤング率をＥ’として、

σ＝Ｅ’（ α_３−α_２）（Ｔ−Ｔｃ）

となる。このヤング率も

Ｅ’^−１＝Ｅ_２ ^−１＋Ｅ_３ ^−１

によって与えられる。弾性片２８のためにＥ_２ ^−１が大きい値になっており、ほぼ

Ｅ’^−１＝Ｅ_２ ^−１

ということができる。Ｅ’が小さいので圧縮応力を小さくすることができる。これは（α_３−α_２）（Ｔｍ−Ｔｃ）が大きすぎる場合の工夫である。Ｔｍはボンディング温度であって目的とする半導体素子の種類によって異なる。Ｔｍ＝３００℃〜４００℃となって（α_３−α_２）（Ｔｍ−Ｔｃ）が大きすぎる場合、このようにワイヤソーで凹部の両側を切り欠いて弾性を賦与するようにすればよい。

［実施例３（縦方向に熱膨張率の大きいスティックを入れる：図７、図８、図９、図１０）］
ヒータプレート２とヒータブロック３の素材を変えるのが難しいという場合は、熱膨張率の大きい別部材を使うとよい。ヒータプレート２、ヒータブロック３に共通の縦穴を穿ち、その穴に常温で僅かな隙間を持って別部材を挿通し加熱して隙間をなくし、さらに加熱して穴と別部材の間に圧縮応力を発生させる。そうすることによって、ヒータプレート２とヒータブロック３を加熱時のみ結合するようにする。冷却すると自然に契合が離れる。別部材は四角柱、六角柱、円柱など任意の形状で良い。また段付きであってもよいし、縦方向に一様な直径の部材であっても良い。ここでは段付き円柱の別部材を用いる実施例３を説明する。

上のヒータプレート２と下のヒータブロック３に穴を開け、その穴に熱膨張率の大きい固定スティックを入れ、加熱時に固定スティックがより大きく膨張することを利用して、上下の部材を硬く結合する。

図７は組み合わせた状態の斜視図である。ヒータプレート２に熱電対端子７と試験座４８がある。ヒータブロック３はヒータを内蔵しており、ヒータの給電端子６、６が側面にある。そのような基本的な構造は変わらない。図１のものと比較して螺子穴、螺子は存在しない。代わりに縦方向に穴が連続して穿孔され、穴に固定スティック５０が挿通されている。固定スティック５０は、ヒータプレート２やヒータブロック３よりも熱膨張率が大きい。加熱すると穴も大きくなるが、固定スティック５０の膨張の方が大きいから隙間が詰まる。さらに加熱すると固定スティックが膨張し、穴と固定スティックの間に圧縮応力σが生じる。それによってヒータプレート２とヒータブロック３が結合する。

図８は固定スティック５０の中心線を含む鉛直面で切断した縦断面図である。図９は図８の小円部分を水平に切断した横断面図である。図１０は図８の大円部分を水平に切断した横断面図である。

２段になった縦穴を２つずつヒータプレート２とヒータブロック３の対角線の位置に穿孔してある。これに２つの固定スティック５０を差し込んである。ここでは２つ用いているが、穴・固定スティックの数は３でも４でも良い。

固定スティック５０は直径の小さい上円柱５２と中間で直径が大きい膨大部５３と下方で直径の小さい下円柱５４、脚部５６を含む２段直径の円柱である。

それに応じて穴も２段直径の複雑なものとなっている。ヒータプレート２には直径の狭い上穴６２とそれに続く直径の大きい上大穴６４が穿たれる。ヒータブロック３には下方に直径の狭い下穴６３が穿たれる。それに続いて直径の広い下大穴６５が設けられる。穴はヒータブロック３を貫通しておらず底面６６がある。
常温Ｔ０でヒータブロック３の上大穴６４、下穴６３に固定スティック５０の下円柱５４と膨大部５３を装入する。脚部５６が底面６６に当たる。

さらにヒータプレート２の下大穴６５と上穴６２を固定スティック５０の頭部から差し入れる。常温Ｔ_０の場合、固定スティック５０は小さいので、穴壁との間に空隙が存在する。上円柱５２と上穴６２の間には上隙間７２がある。下円柱５４と下穴６３の間には下隙間７３ができる。膨大部５３とヒータプレート２の上大穴６４の間には上空隙７４が生じる。膨大部５３とヒータブロック３の下大穴６５の間には下空隙７５が発生する。隙間は１０μｍ〜１００μｍの程度である。

４種類の隙間が発生する。いずれにしてもヒータプレート２やヒータブロック３の熱膨張率より固定スティックの熱膨張率を大きくする。加熱することによって、穴の膨張よりも円柱の膨張が優越して隙間が無くなる。さらに強く加熱すると穴と円柱の間に圧縮応力が生じる。

上円柱５２、下円柱５４の直径は同じであっても違っても良い。ここではこれらの直径を共通にｄで表す。膨大部５３の直径をＤとする。固定スティック５０の熱膨張率をβとする。α_２、α_３はヒータプレート２、ヒータブロック３の熱膨張率である。β＞α_２、β＞α_３である。上隙間７２の大きさをＵ、下隙間７３の大きさをＳとする。上空隙７４の大きさをＶ、下空隙７５の大きさをＲとする。常温Ｔ_０でのそれぞれの隙間の大きさをＵ_０、Ｓ_０、Ｖ_０、Ｒ_０というように０を付けて表現する。加熱温度Ｔでのそれぞれの隙間の大きさは

Ｕ＝Ｕ_０−（β−α_２）（Ｔ−Ｔ_０）ｄ
Ｓ＝Ｓ_０−（β−α_３）（Ｔ−Ｔ_０）ｄ
Ｖ＝Ｖ_０−（β−α_２）（Ｔ−Ｔ_０）Ｄ
Ｒ＝Ｒ_０−（β−α_３）（Ｔ−Ｔ_０）Ｄ

によって表現される。常温から温度を上げていくと隙間が減少していく。温度が次の場合に、それぞれの隙間が０となる。零隙間温度と呼ぶ。

Ｔｕｃ＝Ｔ_０＋Ｕ_０／（β−α_２）ｄ のときに Ｕ＝０
Ｔｓｃ＝Ｔ_０＋Ｓ_０／（β−α_３）ｄ のときに Ｓ＝０
Ｔｖｃ＝Ｔ_０＋Ｖ_０／（β−α_２）Ｄ のときに Ｖ＝０
Ｔｒｃ＝Ｔ_０＋Ｒ_０／（β−α_３）Ｄ のときに Ｒ＝０

最終的な加熱温度（ボンディング温度）をＴｍとすると、これらの零隙間温度Ｔｕｃ、Ｔｓｃ、Ｔｖｃ、Ｔｒｃがボンディング温度Ｔｍ以下である必要がある。つまり、Ｔｕｃ＜Ｔｍ、Ｔｓｃ＜Ｔｍ、Ｔｖｃ＜Ｔｍ，Ｔｒｃ＜Ｔｍである。これは初期隙間Ｕ_０、Ｓ_０、Ｖ_０、Ｒ_０の範囲を限定する。

Ｕ_０＜ｄ（Ｔｍ−Ｔ_０）（β−α_２）
Ｓ_０＜ｄ（Ｔｍ−Ｔ_０）（β−α_３）
Ｖ_０＜Ｄ（Ｔｍ−Ｔ_０）（β−α_２）
Ｒ_０＜Ｄ（Ｔｍ−Ｔ_０）（β−α_３）

零隙間温度より温度が高くなると熱による圧縮応力が発生する。実効的なヤング率をＥｕ、Ｅｓ、Ｅｖ、Ｅｒとすると、それぞれの熱圧縮応力σｕ、σｓ、σｖ、σｒは

σｕ＝Ｅｕ（β−α_２）（Ｔ−Ｔｕｃ）
σｓ＝Ｅｓ（β−α_３）（Ｔ−Ｔｓｃ）
σｖ＝Ｅｖ（β−α_２）（Ｔ−Ｔｖｃ）
σｒ＝Ｅｒ（β−α_３）（Ｔ−Ｔｒｃ）

となる。この値はα_２、α_３、β、ヤング率Ｅｕ、Ｅｓ、Ｅｖ、Ｅｒなどによって大きく変わる。

例えばβ−α_２、β−α_３などを１０^−５／℃、Ｔ−Ｔｕｃ等を２００℃、Ｅｕ等を２×１０^４ｋｇｆ／ｍｍ^２と仮定した場合、４０ｋｇｆ／ｍｍ^２となる。

この例では、円柱が段付きで複雑な形状をしているから、４つの不等式が必要になる。もっと単純な場合も可能である。円柱は段付きでなく単なる棒状であっても良い。穴も単なる円筒穴であって良い。その場合は穴、棒の直径をｄとして、二つの不等式だけで隙間Ｕ、Ｓと初期隙間Ｕ_０、Ｓ_０の範囲を限定することができる。固定スティックとヒータプレート穴、ヒータブロック穴の隙間Ｕ、Ｓは次のようになる。

Ｕ＝Ｕ_０−（β−α_２）（Ｔ−Ｔ_０）ｄ
Ｓ＝Ｓ_０−（β−α_３）（Ｔ−Ｔ_０）ｄ

零隙間温度Ｔｕｃ、Ｔｓｃは

Ｔｕｃ＝Ｔ_０＋Ｕ_０／（β−α_２）ｄ
Ｔｓｃ＝Ｔ_０＋Ｓ_０／（β−α_３）ｄ

である。ボンディング温度Ｔｍに対して、初期隙間の限定は

Ｕ_０＜ｄ（Ｔｍ−Ｔ_０）（β−α_２）
Ｓ_０＜ｄ（Ｔｍ−Ｔ_０）（β−α_３）

というようになる。Ｔｕｃ、Ｔｓｃ以上での圧縮応力σは次のようになる。

σｕ＝Ｅｕ（β−α_２）（Ｔ−Ｔｕｃ）
σｓ＝Ｅｓ（β−α_３）（Ｔ−Ｔｓｃ）

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

ヒータプレートとヒータブロックに螺子通し穴、雌螺穴を穿ち、螺子で固定した従来例に係るヒータプレートとヒータブロックの結合構造を示す全体の斜視図。

ヒータプレートの裏面に凹部を、ヒータブロックの上面にそれに対応する凸部を設け、僅かな隙間を残して嵌合させ加熱することによって凸部と凹部の隙間を消去し、さらに加熱して圧縮応力を発生させることによって、ヒータブロックとヒータプレートを結合するようにした本発明の第１の実施例に係る結合構造を示す斜視図。

第１の実施例において、裏面に凹部を設けたヒータプレートの裏面と、上面に凸部を設けたヒータブロックの上面の斜視図。

第１の実施例において、ヒータプレート裏面の凹部にヒータブロックの凸部を嵌め込み加熱して隙間を無くした後、さらに加熱して接触部分に圧縮応力を発生させた状態を示す断面図。

ヒータプレートの裏面に凹部を形成し、凹部の左右を切り欠いて弾性を与えたものと、ヒータブロックの上面に凸部を形成したものを僅かな隙間を持って嵌合し、加熱することによってヒータブロックをより大きく膨張させ、凹部と凸部の間の隙間を無くし、さらに加熱して凹部と凸部の間に圧縮応力を発生させ、弾性によって圧縮応力を減らすようにした本発明の第２の実施例に係るヒータプレートとヒータブロックの結合構造を示す斜視図。

第２の実施例において、ヒータプレートとヒータブロックの嵌合を示す縦断面図。

ヒータプレートとヒータブロックに縦穴を穿ち、固定スティックを差し入れ加熱して、固定スティックをより大きく膨張させることによって、ヒータプレート、ヒータブロックの穴に接触させ、さらに圧縮応力を発生させて、ヒータブロックとヒータプレートを結合するようにした本発明の第３の実施例に係るヒータブロックとヒータプレートの結合構造を示す全体の斜視図。

第３の実施例においてヒータプレート、ヒータブロックの穴とそれに差し込んだ固定スティックの縦断面図。

第３の実施例において、ヒータプレートの小さい穴と固定スティックの小さい円柱部の嵌合部を示す横断面図。

第３の実施例において、ヒータブロックの大きい穴と固定スティックの大きい円柱部の嵌合部を示す横断面図。

符号の説明

２ ヒータプレート
３ ヒータブロック
４ 被実装素子パッケージ
６ 給電端子
７ 熱電対端子
８ プレート楔型対片
９ ブロック楔型片
１０ 螺子通し穴
１１ 螺子
２０ プレート凹部
２３ 傾斜縦辺
２４ プレート背面
２６ プレート側面
２７ プレート前面
２８ 弾性片
２９ プレート凹部
３０ ブロック凹部
３２ 止め片
３３ 傾斜縦辺
３４ 後ろ当たり面
３５、３６ ブロック側面
３７ ブロック前面
３９ ブロック凸部
４０ ステム
４４、４５ リードピン
４８ 保持座
４９ ピン穴
５０ 固定スティック
５２ 上円柱
５３ 膨大部
５４ 下円柱
５６ 脚部
６２ 上穴
６３ 下穴
６４ 上大穴
６５ 下大穴
６６ 底面
７２ 上隙間
７３ 下隙間
７４ 上空隙
７５ 下空隙
７６ ヒータ用給電線
７７ 熱電対引き出し線

Claims (10)

1. 半導体素子パッケージを保持し加熱して半導体チップをダイボンディングするためのヒータプレートを、ヒータを内蔵し任意の温度に加熱できるヒータブロックの上に固定するため、ヒータブロックとヒータプレートを熱膨張率の異なる材料で作製し、ヒータブロックの上面とヒータプレートの底面の何れかの熱膨張率の大きい方には凸部を、熱膨張率の小さい方には凹部を設け、凹部と凸部を常温で僅かな隙間を持って嵌合し、加熱することによって隙間を減らし、ボンディング温度Ｔｍより低い零隙間温度Ｔｃで隙間を０とし、それ以上の温度ではヒータプレートとヒータブロックの凹部、凸部の側面の間で圧縮応力が発生するようにし、ボンディング温度Ｔｍではヒータプレートとヒータブロックが結合しており、常温Ｔ_０に冷却すると隙間ができて、ヒータプレートをヒータブロックから取り外すことができるようにした事を特徴とするプレートの固定機構。
2. ヒータブロックの熱膨張率がヒータプレートの熱膨張率より大きくて、ヒータブロックの上面に凸部が、ヒータプレートの底面に凹部が形成されている事を特徴とする請求項１に記載のプレートの固定機構。
3. ヒータブロックの熱膨張率がヒータプレートの熱膨張率より小さくて、ヒータブロックの上面に凹部が、ヒータプレートの底面に凸部が形成されている事を特徴とする請求項１に記載のプレートの固定機構。
4. 凹部の両側に上下交互の切欠きによって形成された弾性片を形成した事を特徴とする請求項２又は３に記載のプレートの固定機構。
5. 凸部の両側に上下交互の切欠きによって形成された弾性片を形成した事を特徴とする請求項２又は３に記載のプレートの固定機構。
6. ヒータブロックの熱膨張率α_３がヒータプレートの熱膨張率α_２より大きくて、ヒータブロックの上面の凸部の幅をＨ、常温での凹部と凸部の嵌合部隙間をＷ_０、ボンディング温度をＴｍとして、Ｗ_０＜（α_３−α_２）（Ｔｍ−Ｔ_０）Ｈである事を特徴とする請求項２に記載のプレートの固定機構。
7. ヒータブロックの熱膨張率α_３がヒータプレートの熱膨張率α_２より小さく、ヒータブロックの上面の凹部の幅をＨ、常温での凹部と凸部の嵌合部隙間をＷ_０、ボンディング温度をＴｍとして、Ｗ_０＜（α_２−α_３）（Ｔｍ−Ｔ_０）Ｈである事を特徴とする請求項３に記載のプレートの固定機構。
8. 半導体素子パッケージを保持し加熱して半導体素子チップをダイボンディングするためのヒータプレートを、ヒータを内蔵し任意の温度に加熱できるヒータブロックの上に固定するため、ヒータブロックとヒータプレートに上下方向に共通する穴を穿孔し、常温Ｔ_０で穴より僅かに小さい直径を持ち、ヒータブロックとヒータプレートの熱膨張率より大きい熱膨張率を有する固定スティックを常温Ｔ_０で僅かな隙間を有しながらヒータプレートとヒータブロックの穴に入れ、加熱することによって隙間を減らし、ボンディング温度Ｔｍより低い零隙間温度Ｔｃで穴と固定スティックの隙間を０とし、それ以上の温度ではヒータプレートとヒータブロックの穴と固定スティックの間で圧縮応力が発生するようにし、ボンディング温度Ｔｍではヒータプレートとヒータブロックが固定スティックを介して結合しており、常温Ｔ_０に冷却すると穴と固定スティックの間に隙間ができて、ヒータプレートをヒータブロックから取り外すことができるようにした事を特徴とするプレートの固定機構。
9. ヒータブロックの熱膨張率α_３、ヒータプレートの熱膨張率α_２より固定スティックの熱膨張率βが大きくて、固定スティックが直円柱で直径をｄとし、常温での固定スティックとヒータプレート、ヒータブロックの穴の隙間をＵ_０、Ｓ_０、ボンディング温度をＴｍとして、
   Ｕ_０＜ｄ（Ｔｍ−Ｔ_０）（β−α_２）
   Ｓ_０＜ｄ（Ｔｍ−Ｔ_０）（β−α_３）
   である事を特徴とする請求項８に記載のプレートの固定機構。
10. ヒータブロックの熱膨張率α_３、ヒータプレートの熱膨張率α_２より固定スティックの熱膨張率βが大きくて、固定スティックが途中に直径が大きい膨大部を有する段付き円柱であって、細い部分の直径をｄ、膨大部の直径をＤとし、常温での固定スティックの小さい直径部分とヒータプレート、ヒータブロックの小穴の隙間をＵ_０、Ｓ_０、固定スティックの膨大部とヒータプレート、ヒータブロックの大穴の隙間をＶ_０、Ｒ_０、ボンディング温度をＴｍとして、
    Ｕ_０＜ｄ（Ｔｍ−Ｔ_０）（β−α_２）
    Ｓ_０＜ｄ（Ｔｍ−Ｔ_０）（β−α_３）
    Ｖ_０＜Ｄ（Ｔｍ−Ｔ_０）（β−α_２）
    Ｒ_０＜Ｄ（Ｔｍ−Ｔ_０）（β−α_３）
    である事を特徴とする請求項８に記載のプレートの固定機構。

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