フリップチップ実装工程

フリップチップ実装は、チップを反転させて基板に載せるだけの技術ではありません。ウェハの段階で突起電極（バンプ）を作り込むところから始まり、接合後の樹脂充填と検査まで含めて一連の工程が組み立てられています。ここでは、フリップチップ実装がどのような順序で進むのかを工程ごとに紹介しています。

フリップチップ実装の全体像

基本的な流れは以下の6ステップです。接合方式によって一部の工程が入れ替わったり、不要になったりします。

工程	内容	実施される場所
1．バンプ形成	ウェハ上の電極パッドに突起電極を作る	ウェハ単位
2．ダイシング	ウェハを個々のチップに切り分ける	ウェハ単位
3．供給・認識・位置合わせ	チップを反転させ、基板と位置を合わせる	フリップチップボンダー
4．接合	加熱・加圧・超音波などでバンプと電極を接続する	ボンダー／リフロー炉
5．アンダーフィル	チップと基板の隙間に樹脂を充填し硬化させる	ディスペンサ／硬化炉
6．検査	接合部の状態と電気的特性を確認する	X線検査装置ほか

なお、ダイシング以降の一般的な半導体後工程の流れについては、別ページで解説しています。ここではフリップチップ特有の工程に絞って説明します。

工程1．バンプ形成（ウェハバンピング）

フリップチップ実装の出発点は、ウェハ上の電極パッドに突起電極を形成する工程です。ワイヤーボンディングには存在しない工程であり、フリップチップならではの前準備にあたります。

主流となっているめっきバンプ工法では、以下のような多段のウェハプロセスを踏みます。

1. スパッタリングでウェハ表面にシード層（TiやCuなどの薄膜）を形成する
2. フォトレジストを全面に塗布する
3. マスクを使って露光・現像し、めっきしたい部分だけレジストを開口する
4. ウェハ外周から給電しながら電解めっきでバンプを成長させる
5. レジストを剥離する
6. 不要になったシード層をエッチングで除去する
7. リフローでバンプの形状を整える

はんだバンプは、はんだ層／バリアメタル層／パッド金属という積層構造になっており、金属の相互拡散を防ぐためにNiバリア層などを追加する場合もあります。この土台部分がUBM（Under Bump Metal）と呼ばれる層です。

バンプの作り方はめっきだけではありません。はんだボールを搭載するボール搭載工法は高さ100μm以上の大きめのバンプに適し、スクリーン印刷工法は仕様変更に柔軟に対応できます。金線を使うスタッドバンプ（SBB）はウェハプロセスを必要としないため、試作や小ロットで採用されます。

参照元：京セラ（https://www.kyocera.co.jp/prdct/wafer-bumping/howto_wbp/bumping/）、新菱（https://www.denshi.shinryo-gr.com/method）

工程2．ダイシング（個片化）

バンプを形成したウェハを、個々のチップ（ダイ）に切り分ける工程です。この段階での精度がその後の品質に直結するため、切断後のチップの取り扱いにも注意が払われます。ダイシングテープを引き延ばしてチップ間にクリアランスを作り、次工程でピックアップしやすい状態にします。

工程3．供給・認識・位置合わせ

ここからがフリップチップボンダーの担当領域です。装置は供給部・認識部・加工部・搬出部の4つで構成されています。

供給部では、チップをトレイまたはウェハの状態で、基板をトレイで供給します。続く認識部・加工部でチップの表裏を反転させ、チップ側のバンプと基板側のパッド電極の位置を合わせます。マイクロメートル単位の位置合わせが求められる工程で、装置の実装精度がそのまま歩留まりに影響します。

はんだ接合の場合は、この段階でフラックスを供給します。供給方法には、フラックスの膜にバンプを浸けて付着させる転写方式と、必要な箇所に塗布するディスペンス方式があります。

工程4．接合

接合方式によって工程の中身が大きく変わります。代表的な3方式を比較します。

C4（はんだバンプ／マスリフロー方式）

ボンダー上ではチップに荷重をかけて仮に接触させ、その後リフロー炉に通してはんだを溶融させます。自然冷却によって溶けたはんだが固化することで接続が完成し、最後にフラックスを洗浄します。複数のチップをまとめて炉に通せるため、量産時のスループットに優れます。

熱圧着ボンディング（TCB）

リフロー炉を使わず、ボンダー上で加熱と加圧を行って1チップずつ接合する方式です。反りの影響を受けにくく位置精度が高いため、微細ピッチの銅ピラーバンプやマイクロバンプに適しています。ただし1チップごとに加熱サイクルを回すため、マスリフローよりタクトタイムは長くなります。

ACF（異方性導電フィルム）

樹脂の中に導電性の微粒子を分散させたシートを、バンプと基板の間に挟んで上下から加熱・加圧します。樹脂が軟化して導電粒子が接触することで電気的に接続され、樹脂そのものが接着も担います。この方式ではフラックス供給・リフロー・洗浄の工程がありません。工程は仮圧着とキュア後の本圧着で構成されます。

参照元：SEMI-NET 半導体用語集（https://semi-net.com/word/フリップチップボンダ）

工程5．アンダーフィル充填・硬化

チップと基板の隙間に樹脂を流し込み、硬化させる工程です。シリコンと樹脂基板では熱膨張係数に大きな差があるため、使用環境の温度サイクルによって接合部に応力が発生します。アンダーフィルはこの応力を緩和し、バンプと電極の損傷を防ぐ役割を担っています。樹脂基板を使う場合には事実上必須の工程です。

ACF方式のように、接合材が接着とアンダーフィルの役割を兼ねる場合は、この工程は不要になります。

参照元：EE Times Japan（https://eetimes.itmedia.co.jp/ee/articles/2402/13/news066_2.html）

工程6．検査

フリップチップ実装では接合部がチップの下に隠れてしまい、外側から目視で確認できません。そのため、X線検査や超音波探傷といった非破壊検査でボイドや未接合の有無を確認します。あわせて電気的特性の検査を行い、要求される信頼性水準に応じて温度サイクル試験などの信頼性試験が追加されます。

工程のどこから委託できるか

受託企業に依頼する場合、どの工程から任せるかで選ぶべき委託先が変わります。

• バンプ形成から一括で委託する：ウェハバンピング設備を持つ企業、またはバンプ加工の協力先を確保している企業が対象になります
• バンプ付きウェハを支給して実装から委託する：フリップチップボンダーを保有する実装企業が対象です
• 封止・検査まで含めて委託する：後工程を一貫で対応できる企業に絞られます

工程を複数社に分けると輸送費と管理工数がかかるうえ、不具合が出たときの原因切り分けが難しくなります。可能な範囲で工程をまとめて任せられる企業を選ぶほうが、結果的にスムーズに進むケースが多くあります。

まとめ

フリップチップ実装の工程は、バンプ形成・ダイシング・位置合わせ・接合・アンダーフィル・検査という流れで進みます。ワイヤーボンディングとの最大の違いは、ウェハ段階でのバンプ形成という工程がまるごと必要になる点です。

また、選ぶ接合方式によってリフロー炉や洗浄工程の要否まで変わるため、自社の製品仕様に合った方式を選べる企業かどうかが委託先選びのポイントになります。