半導体ダイボンディングのプロセスと装置の研究

半導体ダイに関する研究接着工程、接着接合プロセス、共晶接合プロセス、軟半田接合プロセス、銀焼結接合プロセス、ホットプレス接合プロセス、フリップチップ接合プロセスを含む。半導体ダイボンディング装置の種類と重要な技術指標を紹介し,開発状況を分析し,開発傾向を展望する。

 

1 半導体産業とパッケージングの概要

半導体産業には、特に上流の半導体材料と装置、中流の半導体製造、下流のアプリケーションが含まれます。我が国の半導体産業は遅れてスタートしましたが、10年近くの急速な発展を経て、我が国は世界最大の半導体製品消費市場および世界最大の半導体装置市場になりました。半導体産業は、装置一世代、プロセス一世代、製品一世代という方式で急速に発展してきました。半導体プロセスと装置の研究は、業界の継続的な進歩と半導体製品の工業化と量産の保証の中核となる原動力です。

 

半導体パッケージング技術の発展の歴史は、チップ性能の継続的な向上とシステムの継続的な小型化の歴史です。パッケージング技術の内部原動力は、ハイエンドスマートフォンの分野から、ハイパフォーマンスコンピューティングや人工知能などの分野へと進化しました。半導体パッケージング技術の開発の 4 つの段階を表 1 に示します。

半導体リソグラフィーのプロセスノードが10nm、7nm、5nm、3nm、2nmと進むにつれ、研究開発コストと生産コストは上昇し続け、歩留まりが低下し、ムーアの法則が減速します。産業の発展動向の観点から見ると、現在、トランジスタ密度の物理的限界と製造コストの大幅な増加によって制約されており、パッケージングは​​小型化、高密度、高性能、高速、高周波、高集積化の方向に発展しています。半導体産業はポスト・ムーア時代に入り、高度なプロセスはもはやウェーハ製造技術ノードの進歩だけに焦点を当てているのではなく、徐々に高度なパッケージング技術に目を向けるようになっています。高度なパッケージング技術は、機能を向上させて製品価値を高めるだけでなく、製造コストを効果的に削減することができ、ムーアの法則を継続するための重要な道筋となります。一方で、コア粒子技術は、複雑なシステムを複数のパッケージング技術に分割するために使用され、それらは異種および異種パッケージングでパッケージ化できます。一方、統合システム技術は、異なる材料や構造のデバイスを統合するために使用され、独自の機能上の利点があります。マイクロエレクトロニクス技術を活用することで、複数の機能や異なる材料のデバイスの統合が実現され、集積回路から集積システムへの発展が実現します。

 

半導体パッケージングは​​チップ製品化の出発点であり、チップの内部世界と外部システムの間の架け橋です。現在、従来の半導体パッケージングおよびテスト会社に加えて、半導体ウエハースファウンドリ、半導体設計会社、統合コンポーネント会社は、高度なパッケージングまたは関連する主要なパッケージング技術を積極的に開発しています。

 

従来のパッケージング技術の主なプロセスは次のとおりです。ウエハース薄化、切断、ダイボンディング、ワイヤボンディング、プラスチック封止、電気めっき、リブ切断および成形など。その中で、ダイボンディングプロセスは最も複雑かつ重要なパッケージングプロセスの1つであり、ダイボンディングプロセス装置もまたその1つです。半導体パッケージングにおける最も重要なコア装置であり、市場価値が最も高いパッケージング装置の 1 つです。高度なパッケージング技術では、リソグラフィー、エッチング、メタライゼーション、平坦化などのフロントエンドプロセスが使用されていますが、最も重要なパッケージングプロセスは依然としてダイボンディングプロセスです。

 

2 半導体ダイボンディング工程

2.1 概要

ダイボンディングプロセスは、チップローディング、コアローディング、ダイボンディング、チップボンディングプロセスなどとも呼ばれます。ダイボンディングプロセスを図1に示します。一般的に、ダイボンディングとは、溶接ヘッドを使用してウェーハからチップをピックアップすることです。真空を利用した吸着ノズルを使用し、目視で確認しながらリードフレームまたはパッケージ基板の指定パッド領域に置き、チップとパッドを接着固定します。ダイボンディングプロセスの品質と効率は、その後のワイヤボンディングの品質と効率に直接影響するため、ダイボンディングは半導体後工程における重要な技術の 1 つです。

 

さまざまな半導体製品のパッケージングプロセスには、現在、接着ボンディング、共晶ボンディング、軟半田ボンディング、銀焼結ボンディング、ホットプレスボンディング、フリップチップボンディングの 6 つの主要なダイボンディングプロセス技術があります。良好なチップボンディングを実現するには、主にダイボンディング材料、温度、時間、圧力などの要素を含むダイボンディングプロセスの主要なプロセス要素を相互に連携させる必要があります。

 

2.2 接着工程

接着ボンディング中は、チップを配置する前にリードフレームまたはパッケージ基板に一定量の接着剤を塗布する必要があります。その後、ダイボンディングヘッドがチップをピックアップし、マシンビジョンガイダンスを通じてチップがボンディング上に正確に配置されます。接着剤が塗布されたリードフレームまたはパッケージ基板の位置に合わせて、ダイボンディングマシンのヘッドを通じてチップに一定のダイボンディング力を加え、チップとリードフレームまたはパッケージ基板の間に接着層を形成して、チップの接着、取り付け、固定の目的。このダイボンディングプロセスは、ダイボンディングマシンの前で接着剤を塗布する必要があるため、グルーボンディングプロセスとも呼ばれます。

 

一般的に使用される接着剤には、エポキシ樹脂や導電性銀ペーストなどの半導体材料が含まれます。接着接合は、プロセスが比較的単純でコストが低く、さまざまな材料を使用できるため、半導体チップのダイボンディングプロセスとして最も広く使用されています。

 

2.3 共晶接合プロセス

共晶ボンディング中、共晶ボンディング材料は通常、チップまたはリードフレームの底部に事前に塗布されます。共晶ボンディング装置はチップをピックアップし、マシン ビジョン システムによってガイドされて、リード フレームの対応するボンディング位置にチップを正確に配置します。チップとリードフレームは、加熱と圧力の組み合わせ作用により、チップとパッケージ基板の間に共晶接合界面を形成します。共晶接合プロセスは、リードフレームやセラミック基板のパッケージングでよく使用されます。

 

共晶結合材料は通常、2 つの材料を特定の温度で混合します。一般的に使用される材料には、金と錫、金とシリコンなどが含まれます。共晶接合プロセスを使用する場合、リード フレームが配置されているトラック伝送モジュールがフレームを予熱します。共晶接合プロセスを実現するための鍵は、共晶接合材料が 2 つの構成材料の融点よりもはるかに低い温度で融解して接合を形成できることです。共晶接合工程ではフレームの酸化を防ぐため、トラック内に水素や窒素の混合ガスなどの保護ガスを導入してリードフレームを保護することも多く行われています。

 

2.4 軟半田接合工程

軟はんだボンディングの場合、チップを配置する前に、リードフレーム上のボンディング位置を錫めっきしてプレスするか、または二重錫めっきし、リードフレームをトラック内で加熱する必要があります。軟半田接合プロセスの利点は熱伝導性の良さですが、欠点は酸化しやすく、プロセスが比較的複雑であることです。トランジスタのアウトラインパッケージなど、パワーデバイスのリードフレームパッケージに適しています。

 

2.5 銀焼結接合工程

現在の第 3 世代パワー半導体チップの最も有望な接合プロセスは、導電性接着剤に接続を担うエポキシ樹脂などのポリマーを混合する金属粒子焼結技術の使用です。電気伝導性、熱伝導性、高温使用特性に優れています。また、近年の第3世代半導体パッケージングのさらなる進歩のためのキーテクノロジーでもあります。

 

2.6 熱圧着工程

高性能三次元集積回路のパッケージング用途では、チップ相互接続の入出力ピッチ、バンプサイズ、ピッチが継続的に縮小しているため、半導体企業インテルは、高度な狭ピッチボンディング用途向けの熱圧着プロセスを開始し、微細なボンディングを可能にしました。バンプチップのピッチは40～50μm、さらには10μmです。熱圧着プロセスは、チップ対ウェーハおよびチップ対基板の用途に適しています。熱圧着プロセスは高速の多段階プロセスであるため、不均一な温度や少量のはんだの制御不能な溶解など、プロセス制御の問題に直面しています。熱圧着時には、温度、圧力、位置などを正確に制御する必要があります。

 

2.7 フリップチップボンディング工程

フリップチップボンディングプロセスの原理を図2に示します。フリップ機構はウェハからチップをピックアップし、180度反転させてチップを移動します。はんだ付けヘッドのノズルはフリップ機構からチップをピックアップし、チップのバンプ方向は下向きになります。溶着ヘッドのノズルが実装基板上に移動した後、下降してチップを実装基板に接着固定します。

 

フリップチップパッケージングは​​高度なチップ相互接続技術であり、高度なパッケージング技術の主な開発方向となっています。高密度、高性能、薄くて短いという特徴があり、スマートフォンやタブレットなどの家電製品の開発要件に対応できます。フリップチップボンディングプロセスにより実装コストが低減され、積層チップや三次元実装が可能になります。 2.5D/3D統合パッケージング、ウェハレベルパッケージング、システムレベルパッケージングなどのパッケージング技術分野で広く使用されています。フリップチップボンディングプロセスは、高度なパッケージング技術において最も広く使用されているソリッドダイボンディングプロセスです。