フリップチップ

フリップ チップ は、制御コラプス チップ接続またはその略語であるC4 ^[1]とも呼ばれ、半導体デバイス、IC チップ、集積受動デバイス、微小電気機械システム(MEMS)などのダイを、チップ パッド上に堆積されたはんだバンプを使用して外部回路に相互接続する方法です。この技術は、ニューヨーク州ユティカにあるゼネラル エレクトリックの軽軍事電子部門で開発されました。^{[2]はんだバンプは、最終}ウェーハ処理ステップでウェーハの上面のチップ パッド上に堆積されます。チップを外部回路 (回路基板または別のチップやウェーハなど)にマウントするには、チップの上面が下を向くように裏返し、パッドが外部回路の対応するパッドと揃うように位置合わせしてから、はんだをリフローして相互接続を完了します。これは、チップを垂直にマウントし、細いワイヤをチップ パッドとリード フレーム コンタクトに溶接してチップ パッドを外部回路に相互接続するワイヤ ボンディングとは対照的です。 ^[3]

1. 集積回路はウェハー上に作られます。
2. パッドはチップの表面に金属化されています。
3. はんだボールは、ウェーハバンピングと呼ばれるプロセスで各パッド上に堆積されます。
4. チップがカットされます。
5. チップは反転され、はんだボールが外部回路のコネクタに面するように配置されます。
6. その後、はんだボールは再溶融されます（通常は熱風リフローを使用）。
7. 実装されたチップは、電気絶縁 接着剤（毛細管、ここに示す）を使用して「アンダーフィル」されます。^{[4] [5]}

一般的な半導体製造システムでは、通常はシリコンである半導体材料の単一の大型ウェハー上に多数のチップが構築されます。個々のチップには、最終的な機械的キャリアへの接続として機能する小さな金属パッドがエッジ近くにパターン化されています。次に、チップはウェハーから切り出され、通常はサーモソニックボンディングなどのワイヤボンディングを介してキャリアに取り付けられます。これらのワイヤは最終的にキャリアの外側のピンにつながり、電子システムを構成する残りの回路に接続されます。

フリップチップの処理は、従来のIC製造と似ていますが、いくつかの追加ステップがあります。^[6]製造プロセスの終わり近くに、接続パッドが金属化され、はんだの受容性が向上します。これは通常、複数の処理で構成されます。次に、各金属化パッドに小さなはんだの点が堆積されます。その後、通常どおりにチップがウェーハから切り出されます。

フリップチップを回路に取り付けるには、チップを反転させて、はんだの点を下にある電子機器や回路基板または基板のコネクタまたはパッドに落とします。その後、はんだを再溶融して電気接続を作成しますが、通常はサーモソニックボンディングまたはリフローはんだ付けプロセスが使用されます。^[7]

これにより、チップの回路とその下のマウントとの間に小さなスペースが残ります。多くの場合、電気絶縁接着剤が「アンダーフィル」されて、より強力な機械的接続を提供し、ヒートブリッジを提供し、チップとシステムの他の部分の加熱差によってはんだ接合部にストレスがかからないようにします。アンダーフィルは、チップとボード間の熱膨張の不一致を分散し、はんだ接合部への応力集中を防ぎ、早期故障につながります。^[8]

はんだボールは、ボールを別々に製造し、真空ピックアップ装置を使用してボールをピックアップし、ボールのコンタクトパッドにフラックスを塗布した状態でチップに配置することによってチップに取り付けるか、または電気メッキによってチップに取り付けることができます。電気メッキでは、シード金属が最初にバンプされるチップが入ったウェハー上に堆積されます。これにより、電気メッキプロセス中にはんだがチップのコンタクトパッドに付着します。シード金属は合金であり、バンプされるチップが入ったウェハー上にスパッタリングによって堆積されます。フォトレジストマスクは、シード金属をチップのコンタクトパッドの上にのみ堆積するために使用されます。次に、ウェハーは電気メッキされ、フォトレジスト層が除去または剥離されます。次に、チップ上のはんだは、はんだリフローを受けて、バンプが最終形状に形成されます。このプロセス全体は、ウェハーバンピングとして知られています。はんだボールの直径は、多くの場合 75 ～ 500 ミクロンです。^{[9] [10]}

2008年、リールサービス社とシーメンス社が協力し、「マイクロテープ」と呼ばれる高速実装テープを開発し、高速実装方法が進化しました[1]。テープとリールのプロセスをアセンブリ方法に追加することで、高速配置が可能になり、標準的なPCBアセンブリ装置を使用して、99.90%のピック率と21,000 cph（1時間あたりのコンポーネント数）の配置率を達成しました。

フリップチップパッケージは、多くの場合、シリコンダイが「基板」の上にあり、その基板が従来のPCBの上に置かれている構成になっています。基板の裏面にはボールグリッドアレイ（BGA）が取り付けられている場合があります。基板は、ダイへの接続をPCBで使用できるようにしています。^[11]味の素ビルドアップフィルム（ABF）などのビルドアップフィルムで作られた基板は、コアの周りに製造され、フィルムは高温で真空ラミネートによって層状にコアに積み重ねられます。各層を塗布した後、フィルムは硬化され、CO2またはUVレーザーでレーザービアが作成され、次に基板のブラインドビアが洗浄され、ビルドアップフィルムが過マンガン酸塩で化学的に粗面化され、次に無電解銅めっきを使用して銅が堆積され、続いてフォトリソグラフィーとエッチングを使用して銅にパターンが作成され、このプロセスが基板のすべての層で繰り返されます。^{[12] [13]}

テープ自動ボンディング(TAB) は、1 ～ 3 層の導電層を含むフレキシブル基板に熱圧着または熱超音波ボンディングでダイを接続するために開発されました。また、TAB を使用すると、はんだ付けベースのフリップ チップ実装と同様に、ダイ ピンをすべて同時に接続できます。もともと、TAB はフリップ チップに比べてより細かいピッチの相互接続を実現できましたが、フリップ チップの開発によりこの利点は減少し、TAB は、特定の TAB 準拠のロールツーロール(R2R、リールツーリール) のようなアセンブリ システムを必要とするディスプレイ ドライバーなどの特殊な相互接続技術のままになっています。

完成したフリップチップアセンブリは、従来のキャリアベースのシステムよりもはるかに小型です。チップは回路基板上に直接配置され、面積と高さの両方でキャリアよりもはるかに小型です。ワイヤが短いため、インダクタンスが大幅に減少し、より高速な信号が可能になり、熱伝導も向上します。

フリップチップにはいくつかの欠点があります。

キャリアがないため、簡単に交換したり、補助なしで手動で取り付けたりするには適していません。また、非常に平らな取り付け面が必要であり、配置が必ずしも簡単ではないほか、ボードが熱くなったり冷めたりするため、メンテナンスが困難な場合もあります。これにより、デバイスの最大サイズが制限されます。

また、短い接続部は非常に硬いため、チップの熱膨張を支持基板に合わせる必要があります。そうしないと、接続部に亀裂が生じる可能性があります。 ^[14]アンダーフィル材は、チップと基板の CTEの差を媒介する役割を果たします。

このプロセスはもともと1960年代にIBMがメインフレームシステムで使用するためにパッケージ化された個々のトランジスタとダイオード向けに商業的に導入されました。^[15]

フリップチップBGA用のセラミック基板は、コストを削減し、既存のPCB製造技術を使用して、製造中により大きなPCBパネルを使用することで一度に多くのパッケージを生産するために、有機基板に置き換えられました。 ^{[16]味の素ビルドアップフィルム（ABF）は1999年に開発され、インテルが最初に開発したセミアディティブプロセスでフリップチップ基板を製造するために使用される、フリップチップパッケージで広く使用される材料になりました。 [17] [18] [19]}ビルドアップフィルムは、業界がセラミック基板から離れるのを助け、このフィルムは現在、有機フリップチップパッケージ基板の製造に不可欠です。^{[20] [21]}

フリップ チップの導入以来、はんだバンプに代わるさまざまな方法が導入されてきました。これには、金ボールや成型スタッド、導電性ポリマー、化学的手段で絶縁メッキを除去する「メッキ バンプ」プロセスなどが含まれます。フリップ チップは、サイズを小さくすることが重要な携帯電話やその他の小型電子機器の製造業者の間で最近人気が高まっています。^{[引用が必要]}

• フリップチップモジュール– Digital Equipment Corporation の商標バージョン
• ソリッドロジックテクノロジー
• IBM 3081
• ハイブリッドピクセル検出器

• Amkor フリップチップ技術: CSP (fcCSP)、BGA (FCBGA)、FlipStack® CSP
• Shirriff, Ken (2021 年 3 月)。「奇妙なチップ: ビンテージ IBM トークン リング コントローラーの分解」。