この記事で分かること
- フリップチップとは：チップを反転させて、表面のバンプを基板に直接接合する技術です。信号経路が短くなるため、高周波性能や放熱性に優れ、小型化も可能です。
- バンプの形成方法：主にめっき法や印刷法で行われます。めっき法では、電極上にフォトレジストでパターンを形成後、はんだや金を電気化学的に析出させます。印刷法では、はんだペーストを電極上に印刷し、加熱して溶かすことで形成されます。
フリップチップ
チップの微細化による性能向上の限界が見え始めていることから、半導体製造において前工程から後工程へと性能向上開発の主戦場が移り始めています。
複数のチップを効率的に組み合わせて性能を引き出す「後工程」の重要性が増しています。
前回はマウンティング全般に関する記事でしたが、今回はマウンティングの一種であるフリップチップに関する記事となります。
フリップチップ
フリップチップによるマウンティングは、半導体チップを反転させて、表面のバンプ（突起状の電極）を直接基板に接合する技術です。
「フリップ（flip）」とは「裏返す」という意味で、この工程が名前の由来になっています。従来のワイヤーボンディングが細い金属線でチップと基板を繋ぐのに対し、フリップチップではワイヤーが不要です。
プロセス
フリップチップによるマウンティングは、以下のステップで進行します。
- バンプ形成: チップの電極パッド上に、はんだや金などの材料で小さなバンプを形成します。このバンプが、チップと基板を電気的・機械的に接続する役割を担います。
- 位置合わせ（アライメント）: チップを反転させ、バンプと基板の接続パッドが正確に一致するように高精度な位置合わせを行います。この作業は光学認識システムを用いた自動機で行われます。
- 接合: 加熱や加圧、または超音波などを使い、バンプを基板のパッドに接合します。はんだを使用する場合は、リフロー炉で加熱し、はんだを溶かして接合します。
- アンダーフィル充填: 接合後、チップと基板の間の隙間にアンダーフィル材と呼ばれる樹脂を毛細管現象で充填し、熱や応力に対する信頼性を高めます。
メリットとデメリット
フリップチップは、特に高性能な半導体チップで広く採用されています。
メリット
- 高性能: 信号経路が短くなるため、電気抵抗が低く、信号遅延が少ないです。これにより、高周波性能が向上し、高速なデータ処理が可能になります。
- 優れた放熱性: バンプを通じてチップの熱を直接基板に効率よく放熱できるため、高発熱部品に適しています。
- 高密度実装: チップ表面全体に多数のバンプを配置できるため、多くの入出力端子を持つチップにも対応できます。ワイヤーボンディングと比べて省スペース化が図れます。
デメリット
製造プロセスの複雑化: バンプの形成やアンダーフィル材の充填など、工程が複雑になります。
コスト増: バンプ形成や高精度な位置合わせが必要なため、製造コストがワイヤーボンディングよりも高くなる場合があります。
フリップチップによるマウンティングは、チップを反転させて、表面のバンプを基板に直接接合する技術です。信号経路が短くなるため、高周波性能や放熱性に優れ、小型化も可能です。ワイヤーボンディングが不要なのが特徴です。
バンプはどのように形成されるのか
バンプの形成にはいくつかの方法があり、主にめっき法と印刷法が使われます。これらの技術は、チップの電極（パッド）上に微小な突起を精密に形成することを目的としています。
1. めっき法（電解めっき法）
この方法は、最も一般的で、微細なバンプを高精度に形成できます。
- シード層の形成: まず、チップの全面にTi/Cuなどの薄い金属膜（シード層）をスパッタリングで形成します。この層は、めっきの電流を流すための電気経路となります。
- フォトレジストの塗布: シード層の上に感光性の樹脂（フォトレジスト）を塗布し、露光・現像して、バンプを形成したい部分だけを開口させます。
- めっき: 開口部から金属を電解めっきで析出させ、バンプを形成します。材料には、はんだ（Sn-Ag系）、金（Au）、銅（Cu）などが使われます。
- フォトレジスト・シード層の除去: めっきが完了したら、フォトレジストと不要なシード層をエッチングで除去します。
- リフロー（はんだバンプの場合）: はんだバンプの場合、熱処理（リフロー）によってバンプを球状に整形します。
2. 印刷法
この方法は、はんだペーストを印刷することでバンプを形成します。
- スクリーン印刷: チップの電極パッドの上にメタルマスクを置き、その開口部にはんだペーストを印刷します。
- リフロー: 印刷後、加熱炉でリフロー処理を行い、はんだを溶融させてバンプを形成します。
3. その他の方法
上記以外にも、以下のような方法があります。
- スタッドバンプ法: ワイヤーボンディングの技術を応用した方法です。ワイヤーをボールボンディングでチップの電極に圧着した後、ワイヤーを切断してバンプを形成します。主に金バンプに用いられます。
- ボール搭載法: あらかじめ作られたはんだボールを、フラックスを塗布したチップの電極上に搭載し、リフローで接合する方法です。安定したサイズのバンプを形成しやすいのが特徴です。
バンプ形成の技術は、フリップチップ実装の高性能化に伴い、より微細で、高密度なバンプを均一に形成できるよう進化しています。
バンプ形成は、主にめっき法や印刷法で行われます。めっき法では、電極上にフォトレジストでパターンを形成後、はんだや金を電気化学的に析出させます。印刷法では、はんだペーストを電極上に印刷し、加熱して溶かすことで形成されます。
各工程の素材や装置の有力メーカーは
バンプ形成のめっき法は、主に電解めっきが用いられ、各工程で特定の材料と装置が使われます。主要なメーカーは、装置と薬品・材料の両分野に存在します。
1. シード層の形成
- 材料: スパッタリングによって、ウエハー全面にTi（チタン）やCu（銅）などの薄い金属膜を形成します。これらの金属は、めっきを行うための電流を流す導電層となります。
- 装置: スパッタリング装置。
- 有力メーカー: 東京エレクトロン、日立ハイテク、キヤノンアネルバ、アプライドマテリアルズなど。
2. フォトレジストの塗布・パターニング
- 材料: 半導体製造用のフォトレジスト。これは、光が当たった部分が溶けるか、溶けにくくなる特性を持つ感光性樹脂です。
- 装置:
- 塗布装置（コータ）: ウエハーに均一な厚みでフォトレジストを塗布します。
- 露光装置（ステッパー）: マスクを介して紫外線を照射し、フォトレジストにバンプのパターンを転写します。
- 有力メーカー: 東京応化工業（フォトレジスト）、東京エレクトロン（コータ）、ASML、ニコン、キヤノン（露光装置）。
3. バンプ形成（めっき）
- 材料: めっき液に含まれる金属イオンが電気化学的に析出し、バンプとなります。
- はんだバンプ: Sn（スズ）とAg（銀）の合金が一般的です。鉛フリーはんだが主流となっています。
- 金バンプ: Au（金）。
- 銅バンプ: Cu（銅）。
- 装置: めっき装置。ウエハーをめっき液に浸し、電流を流して金属を析出させます。
- 有力メーカー: 荏原製作所、東設、島谷技研、清川メッキ工業など。
4. 不要層の除去
- 材料: レジスト除去には専用の剥離液、シード層のエッチングには硫酸や過酸化水素などのエッチング液が使用されます。
- 装置:
- アッシング装置: プラズマを使って残ったレジストを焼却します。
- ウェットエッチング装置: 薬液で不要なシード層を溶かして除去します。
- 有力メーカー: 東京エレクトロン（アッシング装置）、SCREENホールディングス（ウェットエッチング装置）。
これらの工程は、それぞれ高度な技術と装置を必要とし、各分野に特化した専門メーカーが市場をリードしています。
コメント