熱管理の改善半導体 向上させる
Advanced materials like SiC enable novel assembly methods needed for today’s thinner microelectronic components.
2023年12月20日 著者： Coherent
集積回路の微細化が進むにつれ、より小型で薄型の回路に対応し、精密を実現するためには、製造に用いられるすべてのプロセスを再設計するか、あるいは置き換える必要があります。これは特に「先進パッケージング」において顕著です。これは、個々の集積回路（「ダイ」と呼ばれる）を基板や回路基板上に実装して電気的に接続し、その後、それらを封止する製造工程のことです。
フリップチップの基礎
「フリップチップ」は、広く採用されている先進的なパッケージング技術の一つです。この手法は、ワイヤボンディングなどの従来の方法に比べていくつかの利点があるため、過去10年間でますます普及しています。その利点には、低コスト、高集積化、および信頼性の向上が挙げられます。
フリップチップ用の回路を準備するには、まず半導体 上面にある導電パッド上に、導電性材料（通常ははんだや金）の小さなバンプを形成します。その後、ウェハーを個々のチップに切断します（これをダイの分離と呼びます）。
次に、個々のダイを取り出し、接点面が下を向くように向きを変え、実装する基板の上に配置します。この基板は、通常、プリント回路基板です。チップ上のバンプが、基板上の対応する導電パッド（上面を向いている）と一致するように、チップを極めて精密に位置合わせします。そして、チップのバンプを基板のパッドに接触させます。
このアセンブリはその後、オーブンに入れられ、はんだ（またはバンプの構成材料）の融点以上に加熱されます。はんだが溶けて「リフロー」し、ダイと基板の両方の導電パッドに付着します。最後に、オーブンが冷却されるとはんだが固まり、チップと基板の間に電気的および機械的な結合が形成されます。
熱圧縮接合 – 薄型ダイの解決策
ICや基板の薄型化が進み、はんだバンプのサイズやバンプ間の間隔（ピッチと呼ばれる）が100 µm未満になると、フリップチッププロセスには問題が生じ始めます。具体的には、加熱サイクルによってICや基板に反りが生じる可能性があります。これは、加熱サイクル中にこれらの部品間で生じる温度勾配や、各部品の熱膨張係数（CTE）の不一致が原因で発生します。
部品の反りが著しい場合、ダイと基板の間に位置ずれが生じる可能性があります。これにより、断線（接続不良）が発生したり、場合によっては短絡（はんだボールのブリッジ）を引き起こしたりする恐れがあります。
サーモコンプレッションボンディング（TCB）は、フリップチップの性能を拡張するために特別に開発された技術です。具体的には、TCBは薄型ダイの大量チップ実装をより確実に実施する方法を提供します。
従来のフリップチップボンディングとTCBの違いは、TCBでは工程全体を通じて、ダイと基板の温度、加える力、位置、向きを極めて高い精密で能動的に監視・制御する点にあります。プロセスの各ステップは、次のステップに進む前に検証されます。こうした徹底した制御により、より高品質で信頼性の高い接合が実現され、製品間のばらつきも低減されます。
これらすべてを実現するために採用されたTCBシステムの主要な構成要素は、図に示されています。これには、1精密 ダイを垂直方向に位置決めできるエアベアリング軸上のリニアサーボモーターが含まれます。また、チップとダイの共面性を維持するための角度位置決め用ティップ・ティルトステージも備わっています。ヒーターとクーラーの両方が、ダイの温度およびその温度の上昇・下降速度を精密に制御します。 この部品スタックの最下部には、ダイ自体を保持する真空チャック（ノズル）が配置されています。また、一連のセンサーが組み込まれており、作業全体を通じてダイと基板の温度、加わる力、位置、および向きを継続的に監視します。
熱圧縮接合システムには、ダイと基板を所定の位置に配置し、向きを調整する工程、それらの温度を制御するためのヒーターおよびクーラー、ダイを保持するための真空ノズル、ならびにプロセスを監視・制御するための各種トランスデューサーおよびビジョンシステム（図示せず）が含まれる。
TCBプロセスは、従来のフリップチップと同様の手順で始まります。具体的には、まずダイにはんだバンプを形成します。次に、ダイをピックアップし、基板と位置合わせを行った後、バンプが基板に接触するまでダイを降下させます。その後、加熱とダイの移動のサイクルが始まります。
はんだが溶けるにつれて、ダイはまず基板に向かって移動し、次に基板からわずかに離れ、最後に再び基板に向かって戻ります。温度や加える力も同様に変化させます。これらすべてにより、ダイと基板の正確な位置合わせと接合、均一なはんだ接合部の高さ、そして欠陥のない接続が確保されます。
Coherent 、TCBノズル用の材料および完成部品を垂直統合型で製造するCoherent 。当社は、この4H SiC部品のように、内部構造を備えた、さまざまなサイズや形状のノズルを製造することが可能です。
ノズル用先端材料
TCBシステムのステージ、熱装置、センサーに加え、もう1つの重要な要素がノズルです。ノズルには3つの主要な機能があります。第一に、気流を通すためのさまざまな穴や流路を備えており、真空チャックとして機能します。第二に、プロセス全体を通じてダイの平面度を維持します（真空によって部品がダイの表面にしっかりと固定されるためです）。最後に、熱を伝導することで、TCBシステム内の加熱・冷却要素がダイの温度を変化させられるようにします。
これらの要件を満たすためには、理想的なノズルは、機械的に剛性が高く、かつ非常に滑らかで平坦な部品に加工できる材料で作られる必要があります。これは、ダイにかかる力が変化しても、プロセス全体を通じてダイをしっかりと固定し、平坦な状態を保つために不可欠です。
さらに、ノズルの材質は高い熱伝導率備えている必要があります。これにより、ヒーターやクーラーによって引き起こされた温度変化が、ダイに素早く伝達されます。ダイの温度を精密に制御し、迅速に熱サイクルをかける能力は、プロセスの成功と、全体的なタクトタイムの短縮にとって極めて重要です。
これらすべての要件を満たす材料はごくわずかですが、Coherent 3種類の材料Coherent 、いずれの材料からも完成品のTCBノズルを製作可能です。これらは、反応結合炭化ケイ素（SiC）、単結晶SiC、および多結晶ダイヤモンドです。それぞれに固有の特性と利点があり、それらを表にまとめました。
素材 |
熱伝導率 |
表面粗さ |
光透過性 |
電気絶縁体 |
費用 |
反応結合SiC |
255 W/m・K |
< 25 nm |
いいえ |
いいえ |
低 |
単結晶SiC |
370 W/m・K |
< 2 nm |
はい |
4H：いいえ 6H：はい |
中 |
多結晶ダイヤモンド |
2200 W/m・K |
< 10 nm |
はい |
はい |
高い |
これらの材料はすべて、他の物質熱伝導率 高い熱伝導率 を有しており熱伝導率 中でもダイヤモンドはあらゆる熱伝導率 最も熱伝導率 誇ります。反応結合SiCの大きな特徴の一つは、必要な貫通孔や内部チャネルを容易に形成できることです。また、レーザー加工を施すことで、極めて高い平面度と低い表面粗さを実現することができます。
ダイヤモンドと単結晶SiCの双方に共通する利点は、可視光および近赤外光に対して透過性があることです。これにより、最終製品の平坦度、厚さ、平行度を測定するために幅広い測定手法を用いることができ、より精密 が可能となります。
多結晶ダイヤモンドおよび6H単結晶SiCは電気絶縁体である。この特性は、静電気放電（ESD）による半導体 の損傷を防ぐことなど、いくつかの点で有用である。
これら3つの材料から製造されたノズルのコストにも違いがあります。ノズルは定期的に交換が必要な消耗品であるため、この点は重要です。
Coherent TCBノズルの垂直統合型Coherent 。当社は、原材料の製造から始まり、完成品の製造に至るまで一貫して手掛けています。当社の製造能力における重要な要素は、極めて平坦な表面を実現できる点にあり、この平坦度を検証するための充実した計測機器を完備しています。
Coherent 反応結合炭化ケイ素（SiC）、単結晶SiC、および多結晶ダイヤモンドについて、詳しくはこちらをご覧ください。
