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軟はんだダイアタッチは、パワー半導体パッケージングにおいて広く確立された接合プロセスである。 これは、半導体ダイとリードフレーム、銅基板、セラミック基板、またはモジュールベースプレートとの間に、機械的な結合と熱電気的な経路の両方を形成します。ダイアタッチ層は放熱、電気抵抗、機械的応力、およびパッケージの信頼性に直接影響するため、はんだ量、濡れ性、接合線の厚さ、ダイの傾斜、雰囲気、および冷却の安定した制御が不可欠です。
このアプリケーションガイドでは、軟ろう付けによるダイアタッチがどのような場面で使用されるか、そのプロセスがどのように機能するか、どのような欠陥に最も注意を払う必要があるか、そして生産ソリューションを選択する前にどのような機器の性能を評価すべきかについて説明します。
軟質はんだダイアタッチでは、通常はスズをベースとし、銀、鉛、インジウム、ビスマスなどの元素を組み合わせた低融点金属合金を用いて、ダイの裏面とパッケージキャリアとの間に冶金的な接合部を形成します。はんだ付けの用語では、融点が450℃未満の充填金属は一般的に軟質はんだに分類されます。
このプロセスは、温度、時間、圧着力、雰囲気といった要素を制御された条件下で行われます。はんだが溶融して両方の表面を濡らした後、アセンブリを冷却して接合部を固化させます。形成された層は、ダイ、はんだ、キャリア材料の熱膨張係数の違いによって生じる熱機械的応力に対応しながら、熱と電流を伝達する必要があります。
ソフトソルダリングによるダイアタッチは、効率的な放熱経路と信頼性の高い裏面接続が求められるパワーパッケージによく用いられます。代表的な用途は以下のとおりです。
軟質はんだの適合性は、パッケージ構造、動作温度、パワーサイクル要件、準拠規格、基板の金属化、および目標コストによって異なります。接合部温度が非常に高い場合や、パワーサイクル要件が厳しい用途では、代替のダイアタッチ技術も評価する必要があるかもしれません。
正確な手順ははんだの形状やパッケージ設計によって異なりますが、一般的な自動化プロセスは以下の段階を含みます。
ステップ 1: リードフレームまたは基板の予熱
リードフレームまたは基板は、加熱されたトラックまたはボンディングステーションに入ります。予熱により熱衝撃が軽減され、はんだの溶融が促進され、接合部が安定して濡れるようになります。一部の連続軟質はんだ付けシステムでは、加熱されたプロセスゾーンは300～400℃の範囲で動作する場合があります。実際の設定温度と界面温度は、はんだ合金、パッケージの質量、および必要な熱プロファイルに合わせて調整する必要があります。
ステップ2：はんだの供給と成形
所定の量の半田が接合部に供給されます。半田ワイヤまたはリボンを使用する場合は、装置はダイのサイズと必要な半田量に応じて、所定の長さに切断または供給します。その後、成形ツールまたはスタンプによって溶融半田が均一な形状に広げられ、ダイが配置される前に成形されます。
ステップ3：金型のピックアップ、位置合わせ、および配置
真空コレットがウェーハまたはキャリアから個々のダイをピックアップします。ビジョンシステムがダイとターゲット位置を識別し、位置合わせ補正を行い、制御された力で溶融または準備されたはんだ層上にダイを配置します。
ステップ4：結合形成と冷却
温度、保持時間、および圧着力を制御することで、濡れ性と冶金的な接合を促進します。その後、アセンブリは制御された冷却ゾーンを通過するため、金型の過度な動き、傾き、または残留応力なしに半田が固化します。
ステップ5：検査と工程検証
製造ラインによっては、検査項目に金型位置確認、金型傾斜測定、接合部評価、表面検査、および空隙検出のためのX線分析が含まれる場合があります。また、トレーサビリティを確保するため、プロセスデータを製品識別情報と紐付けることも可能です。
一般的なはんだ供給オプション
| はんだ付けフォーム | 主な特徴 | 典型的な使用例 |
| はんだ線 | 連続リール送りおよびプログラム可能な長さ制御 | 再現性の高い金型サイズによる大量生産 |
| はんだリボン | フラットな形状と制御された幅 | 特定のパッケージまたは金型フォーマット |
| 成形済みはんだ | 明確な形状とボリューム | はんだ量の厳密な制御が求められる用途 |
| はんだペースト | 配置前に印刷または配布されます | 特殊なプロセスフローまたは基板構成 |
4.1 ボイドコントロール
はんだダイアタッチ層におけるボイドは、熱の流れを阻害し、局所的なホットスポットを発生させる可能性があるため、最も重要な品質問題の一つです。ボイドは、閉じ込められたガス、濡れ性の不完全さ、表面汚染、はんだ量の分布不良、またはペーストやフラックスを含む材料を使用した場合の揮発性残留物などが原因で発生する可能性があります。
実用的な空隙削減策には以下が含まれます。
4.2 湿潤および酸化制御
連続的な冶金界面を形成するには、良好な濡れ性が必要です。はんだ、ダイメタライゼーション、またはリードフレーム表面が酸化すると、濡れ不良、被覆不完全、および接合強度の不安定化を引き起こす可能性があります。密閉された加熱トラック、制御された窒素流量、低酸素モニタリング、および検証済みの表面処理は、酸化に関連する欠陥を低減するのに役立ちます。成形ガスは認定されたプロセスで使用できますが、ガスの組成と安全管理は、装置および工場の要件に従う必要があります。
4.3 接着層の厚さと金型の傾斜
接合層の厚さは、熱抵抗、応力分布、機械的信頼性に影響を与えます。また、厚さのばらつきが大きすぎると、ダイの傾きが生じ、下流のワイヤボンディングやパッケージ形状に影響を及ぼします。均一な接合部を維持するためには、はんだ量の再現性、成形の制御、正確な位置決め力、コレットの状態、安定した冷却がすべて重要です。
4.4 温度、力、時間
プロセスウィンドウは、使用する合金、金型サイズ、パッケージ質量、表面仕上げに合わせて設定する必要があります。以下の値は、汎用的な生産設定値ではなく、初期的な設備能力の参考値として役立ちます。
| パラメータ | 参考範囲 | 主な影響 |
| 加熱処理ゾーン | システムによっては、約300～400℃になる。 | はんだの溶融、濡れ性、酸化、およびボイド挙動 |
| 配置または結合力 | ソースプロセス範囲では約30～500g | はんだの広がり、接合線の厚さ、ダイの傾き、およびダイの応力 |
| 拘束時間または滞在時間 | 数秒（処理状況による） | 濡れ性と冶金接合部の形成 |
| 酸素濃度 | 低酸素制御；一部のシステムでは200ppm未満を目標としている | 酸化防止とプロセスの再現性 |
| 確認された問題 | 考えられる原因 | プロセス応答 |
| 高排尿 | 閉じ込められたガス、汚染、濡れ性の悪さ、過剰な揮発性物質含有量、不適切な熱プロファイル | 表面処理、雰囲気制御、熱プロファイル、はんだ量制御、およびX線検証を改善する |
| 金型傾斜 | はんだの分布が不均一、力が一定しない、コレットまたは成形ツールが摩耗している、冷却中に動きがある | はんだ成形、配置力、工具の状態、冷却を安定させる |
| はんだ被覆が不十分 | はんだ量不足、供給エラー、濡れ不良、ターゲット位置の不正確さ | 供給長さの校正、表面の検査、視覚的な位置合わせの確認、およびはんだ形状の監視 |
| はんだのはみ出し | はんだ付け過多、高負荷、過度の高温または保持時間 | はんだ量を減らし、力を最適化し、熱制御を強化する |
| ダイシフト | 不安定な配置、過剰なはんだの流れ、振動、または制御不能な冷却 | 配置動作、滞留時間、搬送安定性、冷却を最適化する |
| 酸化または非濡れ性 | 高酸素濃度、汚染された表面、不適切な金属化またはプロファイル | 雰囲気モニタリング、洗浄、材料適合性、プロファイル開発の改善 |
完全な生産システムでは、金型搬送、はんだ供給、熱処理、雰囲気制御、検査を連携させる必要があります。主要なサブシステムは通常、以下のとおりです。
機器選定チェックリスト
| 選択エリア | 確認事項 |
| パッケージと基板の適合性 | リードフレームの幅、ストリップフォーマット、基板の種類、パッケージの種類、および加熱方法を確認してください。 |
| ダイおよびウェハーの範囲 | ダイの最小サイズと最大サイズ、ダイの厚さ、ウェーハサイズ、ウェーハフレームフォーマット、およびダイ排出機能を確認してください。 |
| はんだ材料と形状 | 合金の適合性を確認し、機械がワイヤー、リボン、プリフォーム、ペーストのいずれに対応しているかを確認してください。 |
| 就職実績 | 対象製品について、精度、再現性、力制御、金型回転、および実際のサイクルタイムを評価する。 |
| 熱処理能力 | 加熱ゾーンの設計、温度均一性、レシピ制御、保持時間、および冷却安定性を確認する。 |
| 雰囲気制御 | チャンバーの密閉性、窒素または認定された成形ガスによるサポート、酸素モニタリング、排気、および安全設計を確認してください。 |
| 品質管理 | ダイ傾斜測定、はんだ形状検査、X線統合、アラーム、SPC、およびトレーサビリティオプションを評価する。 |
| 切り替えとメンテナンス | 工具交換、レシピ変更、消耗品へのアクセス、清掃、および予防保守の要件を確認する。 |
| 工場統合 | 上流および下流のインターフェース、MESまたはSECS/GEMの要件、データ形式、および配線レイアウトの制約を確認してください。 |
ソフトソルダによるダイアタッチは、優れた熱特性と電気特性に加え、確立された製造基盤を備えているため、パワー半導体パッケージングにおいて依然として重要なプロセスです。信頼性の高い結果を得るには、はんだ合金だけでなく、表面状態、はんだ量の制御、雰囲気、熱プロファイル、圧着力、ダイアライメント、および制御された冷却も重要です。
生産システムを評価する際には、パッケージ形式、ダイおよびウェハーの範囲、はんだ付け形態、スループット目標、検査計画、および工場統合要件に適合する装置を選定する必要があります。プロセス能力は、表面的な仕様だけで判断するのではなく、アプリケーション試験によって検証する必要があります。
ヒルヌス 半導体パッケージング装置とパワーデバイス製造向けのプロセス指向構成サポートを提供しています。 ダイボンディング装置互換性のあるダイアタッチプラットフォームおよびそれをサポートするプロセスモジュール向けのソリューション。
パッケージ固有のプロセス評価、機器構成、またはライン統合要件については、 当社のエンジニアリングチームにお問い合わせください お客様のダイサイズ、ウェハーフォーマット、パッケージタイプ、はんだ材料、目標生産能力、および品質要件に基づいて。
よくある質問
これは、半導体ダイとリードフレーム、基板、またはモジュールベースプレートとの間に、機械的、熱的、そして多くの場合電気的な接続を形成する。
一般的な選択肢としては、はんだワイヤ、リボン、プリフォーム、はんだペーストなどがあります。選択は、パッケージ設計、はんだ量の許容誤差、スループット、およびプロセスフローによって異なります。
空隙は熱伝達経路を遮断し、局所的な温度集中を引き起こす可能性があります。その大きさ、位置、分布はX線検査によって評価する必要があります。
一部のパッケージ設計には適しているかもしれないが、接合部温度が高く、高いパワーサイクル性能が求められる用途では、焼結銀やその他の先進的な接合材料との比較検討が必要となる場合が多い。
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