フリップ チップのゴールド ネイル ヘッド バンプ (SBB) テクノロジーについて学ぶ

0040-02544 上半身、DPS メタル

0020-33806 上部チャンバー Dps + ポリゴン

 

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この記事では、フリップ チップ テクノロジにおけるゴールド ネイル ヘッド バンプ テクノロジについて詳しく説明します。

I. 半導体パッケージング技術の開発
マイクロエレクトロニクス実装技術はデバイス形状の発展とともに発展してきましたが、その開発の歴史はデバイス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もあります。基板上へのデバイスの設置方法の分類から、マイクロエレクトロニクス実装は次の開発段階に分類できます。
最初のステージ20世紀の80年代以前はTO型パッケージやデュアルインラインパッケージに代表されるスルーホール実装（THD）の時代でした。 IC の機能は比較的単純で、リード数が少なく、パッケージは PCB のスルーホールに手動で挿入できます。リードピッチは固定されており、リード数の増加はパッケージの増加を意味します。パッケージの最大実装密度は10pin/cm2です。
第二段階20世紀の80年代はスモールアウトラインパッケージ（SOP）やフラットパッケージ（QFP）に代表される表面実装（SMT、表面実装/表面実装）の時代で、ピン数と実装密度が大幅に増加しました。これは当時の包装技術における革命でした。これらのパッケージの設計コンセプトは、パッケージ本体のサイズが固定されており、必要に応じて外周のリードピッチが変化するという点で DIP (Dual In-Line Package) とは異なります。これにより、生産性も向上し、最大リード数は 2 です。 300 個、実装密度は 10-50 ピン/cm2 で、これは金属鉛プラスチック パッケージングの黄金時代でもあります。
第三段階20世紀のはんだボールアレイパッケージ(BGA)/チップサイズパッケージ(CSP)の時代で、BGAのリードピッチは主に1.5mmと1.27mmであり、リードピッチは拡大しました。実装技術の進歩と生産効率の向上が大きく促進され、BGAパッケージの実装密度は約40-60ピン/cm2であり、日本はチップレベルでBGAの概念を使用し、高品質のCSPパッケージを開発しました。リードピッチの縮小、リードピッチは1.0mm未満まで小さくでき、CSPパッケージにより製品の小型軽量化がさらに進み、製品の競争力が向上します。BGAの時代からBGA/CSPの時代へ移行しました。 。

チップスケールのパッケージングを実現するには、ワイヤ ボンディング (WB)、テープ自動ボンディング (TAB)、フリップ チップ (FC)、およびシリコン貫通ビア (TSV) の 4 つの主要なテクノロジがあります。 WB技術とは、金属リードとパッドを超音波を作用させて接合する技術であり、接合方法により熱超音波球面接合と超音波ウェッジ接合に分けられます。 WBは優れた信頼性からチップスケールパッケージング市場の90％を占めていますが、ワイヤボンディングによる接続にはある程度の高さがあり、パッケージサイズに影響を与え、電気信号の遅延が発生し、抵抗値が増加します。 、小型サイズの包装に適した新しい一次包装技術の探索が研究のホットスポットとなっています。
TAB技術は、ホットスタンピング金型の下でリードストリップを使用してチップをキャリアテープに一度に接着する技術であり、この技術での金属バンプ、キャリアテープ、ホットスタンピング金型の製造は、量産に大きな課題をもたらします。
TSV 技術は新興の新技術であり、この技術の接続は主に、Cu バンプとシリコン貫通ビアのプリメッキ Au 層の間の接続に依存します。これは 3D ラミネート パッケージングに適しており、電子製品にはパッケージサイズに対する高い要件がある一方で、シリコン貫通ビアのサイズは非常に小さいため、シリコン貫通ビア内のAuコーティングの均一性と接続の信頼性が、この技術の開発と応用に大きな課題をもたらしています。

II.フリップチップ技術
FlipChip (FC) テクノロジーは、チップのアクティブ側を反転して基板をマイクロ接続用に位置合わせする方法です。アクティブ デバイスの反転により、電子製品のパッケージ サイズが縮小され、はんだ接合部のサイズを制御できるため、この方法は、ピンピッチが狭い高集積かつ高出力の電子製品のパッケージングに適しています。フリップチップの回路図は次のとおりです。

フリップチッププロセスを実現するには、チップ表面にバンプを形成する必要があり、一般的なバンプ形成方法としては、スタッドバンプボンド、蒸着はんだバンプ、電気めっきはんだバンプ、印刷はんだバンプ、ボールバンプ、はんだ転写バンプ。私たちが日常生活で使用する携帯電話のカメラのパッケージングでは、イメージング チップを基板に接続するために使用される技術は、フリップ チップのゴールド ネイル ヘッド バンプ (SBB) 接続です。


Ⅲ．SBB(SBB、スタッドバンプボンド)とは何ですか？
フリップチップネイルヘッドバンプの製造にはエアレスバルーンを使用します(SBB、スタッドバンプボンド)チップの I/O ポートをパッケージのピンまたは基板上の配線はんだ領域と相互接続するために金属ワイヤで形成されます。
超音波エネルギーと接合圧力等の複合作用により、接合界面表面の酸化物や汚れが除去されると同時に接合界面の塑性変形が起こり、金属に転位が発生します。結合界面の原子拡散が刺激され、しっかりとした金属フリップネイルヘッドバンプが形成されます。
金ワイヤのホットプレス超音波ボンディングの場合、金ワイヤの直径は一般的に 0.5mil ~ 2.5mil (1mil=25μm) の間で、フリップチップパッドの材質は一般にアルミニウムパッドです (金メッキパッド）を採用し、表面に厚さ約2μmのアルミニウム（金）メッキを施しています。
次の図は、金メッキ バンプの製造に必要なボンディング マシン、キャピラリ (キャピラリ キャピラリ)、金ワイヤなどの設備と付属品を示しています。

中でも、接着機業界では Kulicke and Soffa (KS) 型接着機がより広く使用されており、装置の内部構造は次のとおりです。

装置の溶接ヘッド部分は、金ネイルヘッドバンプの製造の重要な部分です。以下の図に示すように、溶接ヘッド部分には、リードテンショナー、ガラス鉛管、電極（ライターとしても知られています）が含まれています。 )、キャピラリー (キャピラリーとも呼ばれる)、および金ワイヤー クランプ。

ボンディング準備段階では、ワイヤークランプが開かれ、加熱ブロックが一定の温度に加熱されます。キャピラリーの口がライターに近づくように、キャピラリーをある程度の距離だけ下に移動します。このとき、電子点火システムにより、極めて短時間に約2000Vの高電圧が放出され、キャピラリー先端の金線テールワイヤーとライターの電極との間にループが形成され、ライターの電極が点火します。キャピラリの口に露出した金ワイヤの小さな部分が、電流 FAB (フリー エア ボール) の作用により形成され、その後キャピラリが下方に移動し続けるため、FAB がチップ パッドと接触し、FAB が結合圧力の作用によりパイの形状が固定され、その後キャピラリの圧力が減少します。超音波エネルギーが作用し始めて、FAB とパッドの間にしっかりとした接続が形成されます。ボンディングが完了すると、キャピラリーが一定の距離だけ上に移動し、キャピラリー ノズルから金線の小片が残り、FAB が形成されます。次のスパーク プラグのボンディング作業に向けて、キャピラリはある程度の距離を移動した後に上昇を停止します。ワイヤ クランプが金ワイヤを締め付けます。キャピラリはワイヤ クランプと金ワイヤとともに上昇を続けます。その過程で金ワイヤが破損します。上に移動し、釘の頭にバンプを残します。
1層目の金ネイルヘッドバンプをアルミパッド上に接合し、1層目の金ネイルヘッドバンプの完成をもとに2層目の金ネイルヘッドバンプの接合を行い、全体の接合を実現します。積層された金ネイルヘッドバンプの接合プロセス全体は、金ネイルヘッドバンプの最初の層の接合プロセスと同様です。金ネイルヘッドバンプの接合プロセスは、主に接合圧力、接合力、接合時間の影響を受けます。金ネイルヘッドバンプの形成プロセスを次の図に示します。

ゴールドネイルヘッドバンプボンディングプロセスは主に 3 つの段階に分かれています。第 1 段階は衝突段階、つまり接合圧力集中段階であり、最大接合圧力を特徴とし、この段階では接合力は適用されません。第 2 段階はボンディング準備段階で、キャピラリーが金ネイルヘッドのバンプとパッドの間のボンディング動作の準備をします。この段階で、接合圧力は減少します。第 3 段階はボンディング段階です。金バンプとパッドが接合を形成する段階であり、接合力と接合圧力が協働する段階です。この段階で、超音波の作用によりキャピラリーが激しく動き始め、接合面が破壊され、非常に短時間で強力な接合が急速に形成されます。

IV.金釘頭の隆起に影響を与える要因
1、キャピラリーの選択
フリップラミネートゴールドネイルヘッドバンプボンディングプロセスでは、各ゴールドネイルヘッドバンプボンディングの一貫性がボンディングの成功を保証する重要な要素です。キャピラリのサイズは、積層金ネイルヘッドバンプの接合特性と金ネイルヘッドバンプの幾何学的特性を決定します。したがって、良好な接着一貫性を備えたゴールド ネイル ヘッド バンプを得るには、適切なキャピラリーを選択する必要があります。通常、キャピラリの穴のサイズ (H)、面取りの直径 (CD)、および面取り角度 (CA) が、キャピラリを選択する際の最も重要な基準要素となります。
以下の図は、Kulicke と Soffa (毛細管) の関連パラメータです。


2、金ネイルヘッドバンプ効果の最初の層の効果
フリップラミネート金ネイルヘッドバンプボンディングは、金ネイルヘッドバンプボンディングの最初の層を完成させ、次に金ネイルヘッドバンプボンディングの第二層を完了します。つまり、積層金ネイルヘッドバンプは、金ネイルの最初の層で構成されます。ヘッドバンプと金ネイルヘッドバンプの2層目。次の図は、第 1 層の金ネイル ヘッド バンプと積層された金ネイル ヘッド バンプの微細構造図です。
ゴールドネイルヘッドバンプボンディングの第 1 層は、積層ゴールドネイルヘッドバンプボンディングのコンポーネントであり、ゴールドネイルヘッドバンプボンディングの第 1 層の品質とそのサイズパラメータは、ゴールドネイルヘッドバンプボンディングの第 2 層に影響を与えます。 。


金ネイルヘッドバンプの最初の層の主要なサイズパラメータを以下の図に示します。ここで、d は金ワイヤの直径であり、ボンディングに使用される金ワイヤによって決まります。高さ h は、金ワイヤの形状によって決まります。ボンディングキャピラリ、金ネイルヘッドバンプの高さＨおよび金ネイルヘッドバンプの最大半径直径Ｄは、ボンディングプロセスパラメータによって共同して決定される。

ゴールド ネイル ヘッド バンプの品質の向上は、主に次の要素の最適化によって行われます。
(a)(バンプの配置)
(b)(バンプシア)
(c)(バンプ直径)
(d)(バンプの厚さ)
(e)(バンプ高さ)
(f)(クレーターテスト)
(g)(IMC)
ゴールデン ボールの推力の測定は、次の図に従ってテストされます。

実際のアプリケーションにおけるいくつかの一般的な問題については、次の側面から改善できます。


V. 金ネイルヘッドバンプのシミュレーション解析
金ワイヤボンディングの全プロセスのシミュレーションと分析を通じて、シミュレーションデータを次の図に示します。

ゴールドネイルヘッドバンプの衝突段階では、ゴールドネイルヘッドバンプの応力分布は不均一であり、応力レベルは比較的高く、応力レベルが大きい領域はゴールドネイルヘッドバンプの内側と、金ネイルヘッドバンプの接触面との接触面に位置しています。金バンプとパッド、この部分はボンディング圧力が集中する部分です。
下図はパッドの応力分布を正視したもので、ボンディング中心を中心とした円形の領域にパッドの応力が集中し、円の周辺部に大きな応力が分布しています。また、より小さな応力領域との明確な境界があり、そこではパッドの変形がより激しくなり、激しい変形によりより多くの転位が発生し、結合が形成されやすくなります。右の画像は金爪ヘッドバンプの接着跡です。オフホワイトの領域は接合形成領域であり、主にパッドの幾何学的中心を中心とした同心円の周縁部に接合が形成されており、これはパッドの接合時の応力分布が大きい領域に相当することがわかります。フリップゴールドネイルヘッドバンプボンディングプロセス。

フリップラミネートされた金ネイルヘッドバンプの接合は、第一層の金ネイルヘッドバンプが完成したことに基づいて、第二層の金ネイルヘッドバンプが完成することである。ボンディング プロセス全体を通じて、キャピラリーは、金ネイル ヘッド バンプの最初の層と金ネイル ヘッド バンプの 2 番目の層の応力と歪みの両方に影響を与えます。

次の図に示すように、フリップ積層金ネイル ヘッド バンプのボンド衝突段階では、フリップ積層金ネイル ヘッド バンプのより高い応力レベルが主に、接触面に近い 2 つの金ネイル ヘッド バンプの内側に分布します。上下の金ネイルヘッドバンプでは、2層目の金ネイルヘッドバンプに大きな応力が集中し、1層目の金ネイルヘッドバンプと2層目の金ネイルヘッドバンプの接合接触面に最大応力が現れます。金の釘の頭のバンプ。

Ⅵ、第六に、ゴールドネイルヘッドバンプ技術の概要
従来のワイヤボンディング技術と比較して、フリップチップボンディング技術のはんだ接合ゾーンのバンプ電極は、チップ周囲のエッジに沿って配置されるだけでなく、再配線によって配置できるため、フリップチップボンディング技術には次のような利点があります。
(1)配線配線は非常に短く、配線により発生する浮遊容量、配線抵抗、配線インダクタンスはWBに比べて非常に小さい。高周波および高速電子製品のアプリケーションにさらに役立つように。
(2)チップ実装配線は基板面積が小さく、チップ実装密度が高い。
参考文献アフィー:
(1)Kong Lingsong: 金バンプ熱超音波フリップチップボンディングの品質管理に関する研究 (2) Wang Jiao, ネイルヘッドバンプ_Sn 基ろう付け金属接合部の形成と界面反応機構
(3) Tang Wenliang、フリップラミネート金ネイルヘッドバンプキーのシミュレーションと信頼性研究

終わり