熱超音波フリップチップボンディング

フリップチップの為の熱超音波ボンディングは、近年大幅に進歩しています。もともとはセラミック基板に限定されていた熱超音波ボンディングは、現在様々な有機基板に使われています。当初はバンプ数の少ない、小さなデバイスに限定されていましたが、装置の技術改善により、バンプ数が多く、大きなサイズのデバイスの実装を可能としています。

以下に熱超音波ボンディングの優位点を説明致します。鉛フリーソルダリングに於いては、低温での金-金接合の成長を助長する様子が伺えます。


実装プロセス

コイニング前のスタッドバンプ。 ワイヤー径は 25µm


バンピング

熱超音波ボンディングの実装プロセスは、金を用いたワイヤーボンディングなどの多くの従来方法に似ています。金ボール ワイヤーボンディングでは、ボンディングパッドの上に金バンプをボンディング装置にて生成配置します。熱超音波ボンディングでは、次のパッドにワイヤーの配線はせず、ボンディング装置により最初のバンプの上に形成します。

図1の様にワイヤーボンディングでは小さなテール部分が残ります。バンプはワイヤーテールを除去する為に均一圧着、機械的シェアーによるコイニングが行われ、ダイの中の全てのバンプが平坦化され、広範囲なコンタクト部分が形成されます。

実装

ワイヤーボンディングのプロセスでは、実装の直前にバンプと基板に対してプラズマクリーニングが処理され、ボンディング強度の増強、アンダーフィルの流動性向上が必要です。クリーニング後に基板はボンディング装置のアライメント機構に配置されます。

デバイスの上のバンプと基板のパッドとのアライメントが実施され、加熱処理とボンディング荷重処理を実行後、超音波エネルギーによる作用も加わります。詳細については4分程度の動画資料をご参照下さい。


アドバンテージ

各種フリップチップ実装方法での温度、圧力相関図

熱超音波 金-金接合 (TC AuAu); 熱超音波 金-すず接合 (TC AuSn); 熱超音波ソルダリング; リフローソルダリング, 及び熱超音波


熱超音波フリップチップボンディングの主な長所は、他のボンディングプロセスと比較して、低温で小さなボンディング荷重でのプロセスにあります。図3に、温度-荷重の領域で、代表的なボンディング方法の比較を示します。

図3に示す様に熱超音波ボンディングは、他のボンディング方法と比較して低温で処理が進みます。  一般的に 200 度以下ですが、場合によっては 100 度でも可能です。ボンディング荷重はバンプに対して 50 グラムから 100 グラムで済むので、熱圧着ボンディングより低い荷重で反応します。

熱超音波ボンディングのサイクル時間は短く、全自動量産ボンディング装置では 3,600 個/時での処理になります。短時間での処理と少ないプロセス数により高速処理とコストダウンが図れます。

金-金接合では低抵抗(5ミリオーム)での実装が可能になり、安定した接合が形成されます。

金スタッドバンプを用いた接合の長所は、微小デバイスのアンダーフィルを除外できる事にあります。機械的駆動部を含むMEMS圧力センサーでは、アンダーフィルを使わない実装方法が可能になります。

熱超音波ボンディングを用いると、微小デバイスでの数個レベルから、大型デバイスでの 50~100 個程度のバンプ数に適応されます。装置性能の向上により、ボンディング荷重の均一性と精度の良い平坦度が向上し、大型デバイスの実装も可能です。 1000 個のバンプ数での、狭小ピッチでのデバイス実装も実現されています。
同時に基板材質についてはセラミック基板からフレックス基板、有機基板を扱う事があります。ダイボンディング装置性能の向上により、新しいアプリケーションに対して、低温処理、熱超音波ボンディングの幅広い活用が可能になります。


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