Deflux（フラックス洗浄）とは？半導体後工程のパッケージプロセス・洗浄工程・インライン洗浄機の原理

要点：Deflux 洗浄とは？

Deflux は前工程ですか、後工程ですか？

後工程です。半導体製造は 2 つの大きな段階に分かれます。前工程はウェーハ工場でウェーハ上に回路を作り、後工程は OSAT でウェーハをチップに切り分け、基板にはんだ付けできる製品にパッケージしてテスト・出荷します。Deflux が洗うのはダイボンドやボール搭載のリフロー後に残るフラックスで、フラックスはパッケージのはんだ付け工程にしか出てこないため、後工程に当たります。

混同しやすい点が 2 つあります。英語の BEOL（Back End of Line）はウェーハ工場の中のメタル配線工程を指し、前工程に属し、パッケージではありません。バンプやウェーハレベルパッケージは「中工程」と呼ばれることもあります。CoWoS のような先端パッケージはウェーハ工場内で行われてもパッケージに属するため、本記事ではすべて後工程に含めています。

なぜフラックスを洗浄するのか？残渣はどんな問題を起こすか

はんだ付けでは、金属表面の酸化膜を除去しはんだの濡れを助けるためにフラックスが必要です。リフロー後、フラックスは残渣を残します。フリップチップパッケージでは、チップがバンプ（bump）で基板にはんだ付けされ、両者の間隙は低く、バンプも密集しているため、残渣はここに最も溜まりやすく、最も洗いにくい場所です（Todd & Bixenman、Advanced Packaging）。

次の工程ではアンダーフィルを充填し、毛細管作用で間隙に流し込み、硬化させてバンプを包み、熱応力を分散させます。残渣はこの工程で 3 つの問題を起こします（Henkel、Flux and Underfill Compatibility）：

「無洗浄」（no-clean）フラックスを使っても、残渣がアンダーフィル材料と反応することがあります。両者の相性は双方の化学組成によって決まり、一概には言えません。そのため、ハイエンドのフリップチップパッケージの多くは今も Deflux 洗浄を組み込んでいます。

FCBGA の後工程全体：洗浄はどの工程で使われるか？

フリップチップパッケージ（FCBGA）を例にします（他の 7 種のパッケージは8 種のパッケージのフロー図を参照）。後工程はウェーハ受入から梱包・出荷まで計 55 工程です。ウェーハ側と基板側はそれぞれ別に進む 2 本のラインで、材料は別々の工場から来ます。それぞれ終わるとフレームカセットやマガジンに入れて組立ラインに送られ、フリップチップのダイボンド工程で初めて合流し、続いてアンダーフィル・ボール搭載・個片化・テストを行います。下図は FCBGA のフローのツリー図で、上の木はウェーハと基板の 2 本のラインがそれぞれ準備する部分、「接合」工程で合流した後の下の木がパッケージの主工程で、各工程の下にすべてのプロセスを列挙しています。全体でウェット洗浄工程は 11。ウェーハライン上の 5 工程（バンプめっき前後・レジスト剥離後・バンプリフロー後・研削後・ダイシング後）はウェーハの状態でウェーハ装置で洗浄し、残る 6 工程が本記事で紹介するインライン洗浄機の担当範囲で、うち 3 工程がフラックス洗浄（Deflux）、3 工程が粉塵とバリの洗浄です。

このほかウェーハ側には、バンプめっき前後・レジスト剥離後・バンプリフロー後・研削後・ダイシング後の 5 回のウェーハレベル洗浄があり、ウェーハ洗浄装置や研削・ダイシング装置に内蔵された洗浄ユニットが処理します。さらにプラズマ洗浄が 4 回（うち 2 回は製品による）。実際の工程と順序はパッケージの形式と各社のフローによって異なります。最も重要なのは第 ③ 工程で、アンダーフィルがうまく充填できるかを直接左右します。梱包・出荷の段階は半導体内箱自動包装機を参考にしてください。

なぜ洗浄機はリフロー炉の後ろにつなぐのか？

OSAT は最初から最後まで 1 本で流れるラインではありません。ウェーハと基板は別々の工場から来て個別に準備され、各段階のキャリアの形（ウェーハ・短冊状の基板・個片）と速度も異なり、ベークやテストなどロットを一括で処理する工程もあります。そのため多くの工程間はロット単位でマガジンに入れて搬送され、途中で一時保管されます。

例外は、手順が決まっていてリズムの近い数工程のインライン区間（上図の「接合」工程の下の青枠）で、「フラックス塗布 → 接合 → リフロー炉 → Deflux」がコンベヤで直結されています。リフロー後のフラックス残渣は時間が経つほど落ちにくくなるため、リフロー炉の直後ですぐ洗えば、積み下ろしも 1 回省けます。これがインライン洗浄機の位置で、評価では洗浄力だけでなく、前のリフロー炉とつなげられるかも見る必要があります：

インライン区間にない洗浄工程、たとえば基板分割やダイシング後の粉塵除去は、マガジン単位のバッチで投入・取出しします。8 種のパッケージそれぞれのインライン区間と合流点は 半導体パッケージのフロー図をご覧ください。

他のパッケージの洗浄工程も同じか？

違います。ワイヤーボンドパッケージ（QFP・QFN）はフラックスを使わないため Deflux はなく、WLCSP とファンアウトの Deflux はウェーハの状態で行います。CoWoS・CoPoS はフリップチップ接合が 2 回にボール搭載が加わり、Deflux は少なくとも 3 回。そのうちチップをインターポーザーに接合する回（CoW）が最も洗いにくく、マイクロバンプのピッチは 25 µm 以下です（ZESTRON）。

8 種のパッケージのウェーハ受入から出荷までのすべての工程と洗浄工程の位置は、半導体パッケージのフロー図にまとめています。

インライン洗浄機はどう動くか？投入から搬出まで 9 つのユニット

パッケージ工場でよく使われるのはコンベヤ式のインライン洗浄機です。基板をメッシュコンベヤに載せ、各ユニットを順に通過すると、出てくるときには乾いています。ライン全体は 3 つのゾーンに分けられます：

1. 投入

   作業者が基板をコンベヤに載せるか、ローダーから受け取ります。操作パネル（PLC の HMI）でパラメータを設定すれば、基板が投入されると洗浄が始まります。

2. 薬液の加圧噴射（1 段または 2 段）

   ポンプで洗浄薬液を加圧し、上下のスプレーパイプから基板に噴射します。薬液の化学作用でフラックスを溶かし、噴流の衝撃力で隙間の残渣を運び出します。薬液はフィルターを通して循環使用され、圧力計が噴射圧を表示します。

   溶解＋衝撃薬液のろ過循環

3. 薬液エアナイフ

   水洗ゾーンに入る前に、エアナイフで表面の薬液の大部分を吹き飛ばし、後段の水槽への薬液の持ち込みを減らします。

   薬液の持ち出しを減らす

4. オーバーフロー噴射洗浄

   まずオーバーフロー水で基板に残った薬液を洗い流してそのまま排水し、この段の水は後段の純水段には回収しません。

5. DI 水の加圧噴射

   高圧の脱イオン水（DI 水）でさらにすすぎ、残った汚染とパーティクルを洗い落とします。DI 水はイオンを含まないため、乾燥後に水垢や導電性の残渣が残りにくくなります。

   脱イオン水高圧すすぎ

6. 高圧エアナイフ

   強い風で基板表面と隙間の水の大部分をまず吹き飛ばします。

7. 高圧熱風ナイフ

   さらに熱風で残った水分を乾かし、水が乾いて水跡が残るのを防ぎます。

   水跡を防ぐ

8. 搬出と除電

   搬出側では作業者が取り出すか、アンローダーにつなぎます。基板はエアナイフの風や搬送の過程で静電気を帯びやすいため、搬出前に除電器で中和します。

なぜ「加圧噴射」を使うのか？扇形ノズルと隙間の水流

フリップチップの隙間はとても狭く、浸漬だけでは薬液が入れ替わりにくく、残渣が洗い出せません。業界では洗浄効果を決める 4 つの変数として、薬液の化学・時間・温度・衝撃エネルギーがまとめられています（Todd & Bixenman）。加圧噴射は衝撃エネルギーを高める方法です。

扇形ノズルの原理

液体は圧力を受けてスプレーパイプからノズルに入ります。ノズルの出口は楕円形で液体を押しつぶし、圧力の逃げ場がないため両側へ広がり、噴き出す形が扇のようになるので扇形噴霧と呼ばれます。スプレーパイプに扇形ノズルを 1 列に並べて噴霧幅をつなげれば、コンベヤの幅全体に均一な水のカーテンができます。

水流はどうやってチップと基板の間に入り込むか

基板がメッシュコンベヤに乗って進むとき、上からの噴流が一定の角度で当たり、水流がその勢いでチップと基板の間の隙間に入り込み、中の薬液と残渣を押し出します。スプレーパイプは上下に付けられ、基板の底面も一緒に洗えます。

エアナイフと熱風ナイフ：なぜ 2 段で吹くのか？

エアナイフは細長い吹出口で、高圧の空気を薄く強い気流にして、刃物のように表面の液体をかき取ります。洗浄機ではエアナイフが 2 か所に出てきますが、目的が違います：

エアナイフの空気源にはブロワーがよく使われます。乾燥段の後、第 ③ 工程（フリップチップのダイボンド後）では通常さらにベークを行い、隙間に水分が残っていないことを確かめてからアンダーフィルに進みます。

目に見えないが重要な補助ユニット

洗浄プロセスや洗浄機を評価する前に、確認すべき 5 つのこと

1. 製品の隙間はどれだけ低く、バンプはどれだけ密か

   隙間が低くバンプが密なほど、高衝撃の噴射と狭い隙間向きの薬液が必要です。まず製品の隙間の高さとバンプピッチを入手します。

2. どのフラックスを使うか

   水溶性・無洗浄・ロジン系のフラックスでは残渣の性質が違うため、薬液もそれに合わせて選びます。フラックスとアンダーフィルの相性もあわせて見る必要があります。

3. フローのどの工程か

   Deflux、ダイシング後の粉塵除去、成形後のバリ取りでは必要なユニットの組み合わせが違い、すべての工程に薬液段が要るわけではありません。

4. 処理能力と基板サイズ

   コンベヤの幅と速度、噴射段を 1 段にするか 2 段にするかが決まります。

5. きれいに洗えたことをどう検証するか

   まず検収方法を決めます：目視や顕微鏡での残渣・水跡の確認、アンダーフィル後のボイド検査。検収基準を先に決めてこそ、異なる案の違いを比べられます。

よくある質問