超音波フリップチップ実装とは

超音波フリップチップ実装は、チップ側の金バンプと基板側の電極を、荷重と超音波振動で押し付けながら接合するフリップチップ実装の方式です。はんだを溶かさずに金属同士を直接つなぐため、フラックスや洗浄の工程が不要で、1秒以下という短時間で接合できます。

SAWフィルタや水晶発振器、高輝度LEDなど、小型で汚れや熱に弱い部品の実装で広く使われてきました。ここでは、超音波フリップチップ実装の仕組み、ほかの接合方式との違い、工程、メリットと課題、主な用途、委託先に確認したいポイントを紹介しています。

超音波フリップチップ実装の仕組み

代表的なのが、金バンプと金電極をつなぐAu-Au接合で、GGI（Gold to Gold Interconnection）とも呼ばれます。基板を加熱した状態でチップを押し当て、ボンディングヘッドから超音波振動を加えると、バンプと電極の接触面がこすれ合います。表面の薄い汚れや酸化膜が取り除かれて金属の新しい面が現れ、金原子同士が拡散して一体化します。

このとき金は溶けません。固体のまま原子レベルで結びつく「固相接合」なので、はんだ接合のようにフラックスで酸化膜を除去する必要がなく、ボイドの少ない均質な接合層ができます。原理はワイヤーボンディングで金線を電極に接合する方法と同じで、それをチップ全体のバンプに一括で適用したものと考えるとイメージしやすいでしょう。

加熱温度は一般に150℃以下、荷重はバンプ1個あたり100g未満とされ、熱や力の負担が小さい点も特徴です。

参照元：米国特許 US7642135（https://patents.google.com/patent/US7642135）、Fraunhofer（https://publica.fraunhofer.de/handle/publica/348084）

ほかの接合方式との違い

フリップチップの接合方式には、超音波接合のほかに、はんだを溶かすマスリフロー（C4）、加熱と加圧で接合する熱圧着ボンディング（TCB）、導電粒子を含むフィルムで接続するACFなどがあります。超音波接合の違いは「金属を溶かさず、フラックスも接着剤も使わずに、金属同士を直接つなぐ」点にあります。

比較項目	超音波接合（Au-Au）	マスリフロー（C4）	熱圧着（TCB）	ACF
接合のしくみ	超音波＋荷重による固相接合	はんだを溶融させて接合	加熱・加圧で接合	導電粒子を介した接触
主なバンプ	金スタッドバンプ、金めっきバンプ	はんだバンプ	銅ピラー、マイクロバンプ	金バンプなど
フラックス・洗浄	不要	必要	方式による	不要
1チップの接合時間	1秒以下	リフロー炉で一括加熱	1チップずつ加熱サイクルを回す	仮圧着＋本圧着
得意な領域	小型・少ピン、汚れや熱に弱い部品	量産品の一括処理	狭ピッチ・多ピン	ディスプレイ、フレキ基板

ACFとの比較では、超音波接合は金属接合のため導電粒子による接触より信頼性が高く、接合サイクルを数分から10秒未満に短縮できたという研究報告もあります。マスリフローとTCBの違いはTCBとマスリフローの比較、工程全体の流れはフリップチップ実装工程で紹介しています。

参照元：J-STAGE（https://www.jstage.jst.go.jp/article/mes/26/0/26_99/_pdf/-char/ja）、Harbin Institute of Technology（https://scholar.hit.edu.cn/en/publications/gold-to-gold-thermosonic-flip-chip-bonding/）

超音波フリップチップ実装の工程

金バンプの形成：ワイヤーボンダーで金線の先端にボールを作って電極に接合し、線を切り離して突起にする「金スタッドバンプ」が代表的です。ウェハプロセスが不要なため、試作や小ロットにも向いています。量産では金めっきバンプが使われることもあります。
レベリング：スタッドバンプは高さにばらつきが出やすいため、必要に応じて押しつぶして高さをそろえます。
電極表面の清浄化：プラズマクリーニングなどで基板電極の有機汚染や酸化膜を取り除きます。接合品質を左右する重要な前処理です。
位置合わせ：チップを反転させ、バンプと基板電極の位置を合わせます。
接合：基板を加熱した状態でチップを押し当て、超音波振動を加えます。超音波の印加時間は通常1秒以下です。
アンダーフィル（必要な場合）：信頼性の要求に応じて、チップと基板の隙間に樹脂を充填します。用途によっては不要な場合もあります。

接合品質を左右する条件

主な条件は、荷重、超音波出力、接合時間、加熱温度の4つです。金スタッドバンプを銅電極に接合した研究では、荷重と超音波出力を上げるほど接合強度が高まると報告されています。

もう一つ重要なのが、チップと基板の平行度です。傾いたまま押し当てると一部のバンプだけに力がかかり、接合不足が起きます。超音波接合の実装精度は±10μm程度で、厚さ100μmの薄いチップまで接合できるとされています。

バンプの作り方は半導体におけるバンプとはで紹介しています。

参照元：J-STAGE（https://www.jstage.jst.go.jp/article/mes/26/0/26_99/_pdf/-char/ja）、TDK（https://www.tdk.com/ja/tech-mag/hatena/050）、Springer（https://link.springer.com/article/10.1007/s11664-008-0510-8）、Harbin Institute of Technology（https://scholar.hit.edu.cn/en/publications/gold-to-gold-thermosonic-flip-chip-bonding/）、米国特許 US7642135（https://patents.google.com/patent/US7642135）

超音波フリップチップ実装のメリットと課題

メリット

フラックスも洗浄も不要：酸化膜を超音波の摩擦で取り除くため、フラックスを使いません。残渣による汚染を嫌うSAW・BAWフィルタやMEMSに向いています。
接合が速い：超音波の印加は1秒以下です。TDKは接合を含めて0.75秒で実装できる装置を開発しています。
熱や力の負担が小さい：150℃以下、1バンプあたり100g未満が目安で、熱に弱い部品や薄いチップにも使えます。
鉛フリー：はんだを使わないため、鉛フリー化の課題がありません。
電気特性と放熱性に優れる：金は電気抵抗が低く高周波特性に優れ、熱伝導率も高いため、LEDのような発熱部品の放熱にも有利です。

課題

金のコストが高い：バンプと電極の両方に金を使うため、材料費がかさみます。
表面状態に敏感：電極の汚れや酸化が接合不良に直結するため、清浄化と放置時間の管理が欠かせません。
荷重の加減が難しい：荷重を上げれば接合しやすくなる一方、チップにダメージを与えるおそれがあります。
多ピン品は不得意：一般に少ピンのチップやLEDに向いており、数千ピン級の大型チップにはTCBなどが選ばれます。
金属間化合物の成長：チップ側のアルミパッドと金バンプの間でAu-Al合金層が成長すると、温度サイクル時の応力が増えてチップを傷める場合があります。

不良の見つけ方や対策はフリップチップ実装不良、費用の考え方はフリップチップ実装のコストもあわせてご覧ください。

参照元：米国特許 US7642135（https://patents.google.com/patent/US7642135）、TDK（https://www.tdk.com/ja/tech-mag/hatena/050）、Fraunhofer（https://publica.fraunhofer.de/handle/publica/348084）、Springer（https://link.springer.com/article/10.1007/s11664-008-0510-8）、J-STAGE（https://www.jstage.jst.go.jp/article/ejisso/29/0/29_240/_pdf/-char/ja）

超音波フリップチップ実装の主な用途

SAWフィルタ・水晶発振器などの高周波部品

スマートフォンの通信回路に使われるSAW（弾性表面波）フィルタや、温度補償型水晶発振器（TCXO）は、超音波フリップチップ実装の代表的な用途です。振動を利用して信号を処理する部品のため、接着剤やフラックスの残渣が特性に影響しやすく、何も挟まずに金属同士をつなげる超音波接合が適しています。ワイヤーボンディングよりパッケージを小さくでき、電気特性にも優れます。