半導体の後工程とは？前工程との違いと、パッケージが必要な理由（守る・つなぐ・熱を逃がす）をわかりやすく解説【後工程・パッケージ3級・第1講】

この記事でわかること

• ① 前工程と後工程
• ② チップをそのまま使えない理由
• ③ 守る
• ④ 電気の出入口
• ⑤ 熱を逃がす

※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。

① 前工程と後工程：半導体づくりは2つに分かれる

大事なポイント：ウェハの上に回路をつくる段階が前工程、チップを切り出して製品の形に仕上げる段階が後工程です。

半導体の回路は、ウェハ（シリコンなどでできた薄い円盤）の上につくります。成膜、露光、エッチングなどの工程を何度も繰り返し、1枚のウェハに同じ回路を何百〜何万個も並べます。ここまでを前工程とよびます。まだ「半導体とは何か」がはっきりしない場合は、先にデバイス基礎3級を読むと、この講が分かりやすくなります。

前工程が終わったウェハには、1個ずつのチップ（ダイ）が並んでいますが、まだ1枚の円盤のままです。このあと、ウェハの上で電気の試験をし、チップを1個ずつに切り分け、端子をつけて製品の形に組み立て、もう一度試験します。切り分けから先を後工程とよびます。参考にした資料にも、前工程のあとにウェハ上でチップを試験し、切り分けたあとにパッケージへ組み立てる流れが書かれています。ウェハ上の試験を前工程と後工程のどちらに入れるかは、資料や会社で分け方が違います。この講座では、境目の作業として扱います。

後工程の主な作業は、次の順に進みます。

1. ウェハを薄くする（裏面研削）
2. チップ1個ずつに切る（ダイシング）
3. チップを台に置いて固定する（ダイボンディング）
4. チップの端子と、外へ出る端子をつなぐ（ワイヤボンディング、フリップチップ）
5. 樹脂などで包む（封止）
6. 最後の試験（最終テスト）

前工程と後工程を分けて考えるのは、扱うものが変わるからです。前工程は、ウェハ1枚をまとめて加工します。後工程は、切り分けた小さなチップを1個ずつ扱う作業が中心になります（一般的な説明です）。第2講からは、この流れに沿って1つずつ学びます。まず、この講では「なぜ後工程が必要なのか」を押さえます

② なぜ、チップをそのまま使えないのか

大事なポイント：切り出したチップは小さくて壊れやすく、端子も細かすぎます。そのため、守る・つなぐ・冷やす役目をもつ「パッケージ」に入れます。

パッケージとは、チップを包んで守り、外の回路とつなぐための入れ物です。プラスチックの小さな黒い部品を見たことがあれば、その中にチップが入っています。

切り出したチップは、爪ほどの大きさのものも多く、薄くて割れやすい部品です（大きさや厚さは製品で違います）。しかも、表面の端子は、肉眼ではほとんど見えないほど細かく作られています。

では、なぜ入れ物が要るのでしょうか。参考にした資料は、パッケージの役目を3つ挙げています。それぞれ、「ないとどうなるか」とあわせて見てみます。

1. 守る：水分、ほこり、ぶつかる衝撃からチップを守ります。ないと、チップの表面が傷んで壊れます。
2. 電気をつなぐ：チップと外の基板とを、電気でつなぐ出入口をつくります。ないと、チップは動いても、外の回路とやりとりできません。
3. 熱を逃がす：チップが出す熱を外へ逃がします。ないと、熱がこもって、誤動作や故障につながります。

図は、よく使われる樹脂パッケージの断面です。チップを金属の台に載せ、細いワイヤでリード（外へ出る金属の足）につなぎ、全体を樹脂で包みます。3つの役目が、この1つの部品に入っています。パッケージは、ただの箱ではなく、守る・つなぐ・冷やすの3役をこなす部品です

③ 役目1：守る（水分・ほこり・衝撃）

大事なポイント：チップの表面は細い配線と薄い膜でできているため、むき出しでは傷みやすく、材料を選んで包みます。

チップの表面にあるのは、きわめて細い金属の配線と、薄い膜です。ここに湿った空気が触れたり、小さな粒が落ちたり、何かがぶつかったりすると、配線が傷んで回路が働かなくなります。たとえば金属は、水分があると腐食（さびのような変化）しやすいものです（一般的な説明です）。参考にした資料にも、パッケージは水分を入れない、衝撃や汚れから守る、と書かれています。

包む材料は、使う場所によって選びます。資料によると、次のような使い分けがあります。

• エポキシ樹脂：最も広く使われ、一般に費用が低めです。
• セラミック：航空宇宙のような、高い信頼性が求められる用途で使われます。樹脂より高価なのがふつうです。
• 金属：熱をよく伝えるので、電力の大きな部品に向きます。

資料には、ガラス、セラミック、金属でつくる気密パッケージは、外の気体をほとんど通さないとも書かれています。気体を通さないほど守りは強くなりますが、費用も上がります。このため、費用を抑えたい製品は樹脂、故障が許されない用途はセラミックや金属、という選び方になります。守りの強さと費用のつり合いで、包む材料を決めます

④ 役目2：電気の出入口をつくる

大事なポイント：チップの端子（パッド）は小さく細かいので、基板につなげる大きさの端子に取り替える橋渡しが要ります。

チップの表面には、電気の出入口になる小さな金属の四角があります。これをパッドとよびます。パッドは、チップの寸法に合わせた、とても小さなものです。一方、基板（部品をはんだで取り付ける板）の配線や、はんだ付けする場所は、それよりずっと大きく作られています。

このまま基板につなぐのは難しいので、パッケージが「大きさの橋渡し」をします。内側では、パッドから細いワイヤなどで、パッケージの端子へつなぎます。外側の端子は、基板にはんだ付けできる大きさにそろえてあります。端子の形は、足の形をしたリード、ボール状のはんだ、ピンなどがあります（第4講で学びます）。

資料によると、電気の接点は、抵抗、静電容量、インダクタンスが小さいほどよいとされています。インダクタンスは、電流の変化を邪魔する性質のことで、細くて長い配線ほど大きくなります（一般的な説明です）。速く変わる信号ほど、この邪魔の影響を受けるため、つなぎ方はできるだけ短く、太くしたいのです。第3講で学ぶワイヤボンディングとフリップチップは、このつなぎ方の違いです。パッケージは、細かいチップと大きな基板をつなぐ橋渡し役です

⑤ 役目3：熱を逃がす

大事なポイント：チップは電気を使うと熱を出します。熱の通り道をつくらないと、温度が上がって不調になります。

回路は、電気を使って動くと、必ず熱を出します。資料には、小さくて速いチップほど熱くなりやすく、それがパッケージの費用を押し上げる、と書かれています。小さな面積に同じ量の熱が出ると、温度が上がりやすいためです。

熱は、温度の高いほうから低いほうへ、物の中を伝わって逃げます。パッケージの中では、チップから接着層を通って台へ、さらにリードや基板へ伝わり、最後は空気へ逃げます。上側にも、樹脂を通る逃げ道があります。必要なら、金属の板（放熱板）をつけて、熱を広げて逃がします。資料には、金属のパッケージは熱をよく伝え、放熱用の部品を取り付けやすいと書かれています。

熱が逃げないとどうなるでしょうか。チップの温度が上がり、動作が不安定になったり、寿命が短くなったりします（一般的な説明です）。熱の通り道を短く、太くつくることが、パッケージの大事な設計ですこの「熱の逃げやすさ」は、熱抵抗という数字で表します。くわしくは、下の計算で確かめてください。

この講のまとめ

次の第2講では、後工程のはじまりである、ウェハを薄くして切り分け、チップを台に置く作業を学びます。

ことばのおさらい

• 前工程：ウェハの上に回路をつくる段階です。
• 後工程：ウェハからチップを切り出し、端子をつけて製品の形に仕上げる段階です。
• パッケージ：チップを包んで守り、外の回路とつなぐ入れ物です。
• パッド：チップの表面にある、電気の出入口になる小さな金属の四角です。
• リード：パッケージから外へ出る、金属の足（端子）です。
• 熱抵抗：1Wの熱を逃がすとき、温度が何℃上がるかを表す数字です。単位は℃/Wです。

よくある誤解

Q. パッケージは、チップを入れるただの箱ですか？

いいえ。守るだけでなく、電気の出入口をつくり、熱を逃がす役目もあります。形や材料は、この3つの役目の組み合わせで決まります。

Q. 前工程が終われば、半導体は完成ですか？

いいえ。前工程の終わりは、ウェハの上に回路ができた段階です。切り分け、組み立て、最後の試験を経て、はじめて製品として使えます。

参考にした公式情報

• Wikipedia「Integrated circuit packaging」（3つの役目、材料の使い分け、気密パッケージ、小さく速いチップの発熱）
• Wikipedia「Semiconductor device fabrication」（前工程のあとの試験、切り分けと組み立ての流れ）

熱抵抗20℃/W、消費電力2Wなどの数値は、理解のために置いた仮の値です。ウェハ上の試験の位置づけ、前工程と後工程で扱うものの違い、金属の腐食、インダクタンスの説明は、一般的な知識にもとづく説明です。図は、記事用に描いた簡易の図です。