バンプ（半導体）｜フリップチップを支える微細な接合突起

バンプ

バンプとは、半導体チップの電極部分にメッキなどを施して盛り上げ、外部との電気的接続を容易にする微細突起のことである。従来のワイヤーボンディングによる接続方式と比べ、高密度実装や薄型化が期待できる反面、製造工程や材料選定、リフロー条件など様々な点に配慮が必要となる。エレクトロニクス分野においては、フリップチップ実装や3D実装など先進的なパッケージング技術の要として、高い機械的信頼性や電気特性を実現するためのコア技術として注目されている。

概要

半導体業界では、回路密度が高まるにつれて従来のリードフレーム方式やワイヤーボンディング方式では限界が顕在化しつつある。そこで登場したのが、半導体チップを逆さにして基板に直接はんだ接合するフリップチップ実装技術であり、その接合点を担うのがバンプである。メッキやはんだボールを基板やチップの電極上に形成し、リフローなどの加熱手法によって溶融・接合させる方式が一般的である。この手法によって接続の配線長を短縮でき、高速通信やノイズ対策にも有利となっている。

パワポお絵かきで半導体パッケージのお勉強第四弾。Flip-Chip BallGridArray（FCBGA）。チップをひっくり返して基板にバンプ接合することで端子の数を増やしている。
チップと基板の隙間を埋めるアンダーフィル材料もここから必要に。
いわゆる2D型のパッケージとしては現在の最先端技術です。 pic.twitter.com/HAMwQ4AJe2

— 決算グラフ化芸人｜統計を学んでいたはずの化学系技術者 (@ChemStat66667) December 5, 2024

形成プロセス

バンプを形成する工程には、フォトリソグラフィーによるメッキパターン形成やボールマウンターを用いたはんだボールの載置など複数の方法が存在する。フォトリソグラフィー方式では、レジストを塗布した電極上にフォトマスクを用いて開口部を形成し、そこに電気的メッキを行うことで金やはんだ合金などのバンプを積層させる。これらのバンプはその後のリフローで正確な高さと形状に仕上げられ、最終的には接合面を確保するとともに電気的性能を向上させる役割を果たす。

続）
②半導体：半導体製造のうち実装工程で、ボンディングの際にバンプのはんだボールを基板に載せる装置。FCPというパーケージ技術で必要な工程のため伸びる。過去3年大きく成長。ネットによると渋谷工、アスリートFAと競合しているようだが、シェア等は不明。https://t.co/1GIPMflVGp pic.twitter.com/9tWqqQB0D5

— 川合 直也 | fundnote さんまのIPO (@samma_ipo) August 1, 2021

材料と特性

バンプに使われる材料は、スズ-鉛系、鉛フリー合金、金、銀など多岐にわたる。最近は環境規制やRoHS指令の影響から鉛フリー合金が主流となっている。高信頼性が要求される用途では、導電性と耐久性、熱的特性を兼ね備えたバンプ材料が選定される。たとえば金バンプは価格が高いものの優れた導電性と腐食耐性を備えているため、一部の高周波デバイスや極限環境用ICに用いられることがある。鉛フリー合金では、メッキやリフロー条件の最適化によって接合強度や部品寿命を確保するための工夫が求められている。

信頼性と実装上の注意点

フリップチップなどの高密度実装を行う際、バンプの形状や位置精度、接合後のはんだボイド(空隙)などがデバイスの信頼性に直結する。特に温度サイクルや衝撃を繰り返す環境下では、バンプと基板の膨張率差によるストレスが生じ、亀裂や剥離が発生しやすくなる。このためアンダーフィル材を使用し、チップと基板の隙間を封止することで機械的強度を補完する方法が一般的である。また、実装後の外観検査ではX線透過装置などが用いられ、はんだ接合の状態やボイド率を厳密にモニタリングし、歩留まり改善に役立てられている。

半導体マイクロバンプとフリップチップについて軽く記事を書きました。

— Raymond Doerr (@raymond_doerr1) February 24, 2025

応用と展望

スマートフォンやタブレットなどの携帯機器、さらにサーバなど高性能なコンピューティング機器では、半導体パッケージの高集積化が不可欠である。そこに採用されるフリップチップ技術や3D積層技術では、高精度で強固なバンプが不可欠である。今後はAI・自動運転・IoTのさらなる発展に合わせ、より高速かつ省スペースの接続手法が求められていくと考えられており、微細化と多様な素材への対応がパッケージング技術の鍵を握る。バンプ技術もこうしたニーズに応えるために進化し続け、高速通信時代の半導体実装を支えていくことが期待される。