ワイヤーボンディング技術とは何ですか？

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ワイヤーボンディング は、半導体のダイとそのパッケージの間を電気的・機械的に接続したり、モジュール内の部品を接続するために使用される主な方法です。このプロセスは現代のマイクロエレクトロニクスの中心であり、ボンディングの選択は歩留まり、信頼性、コストに影響します。平たく言えば、チップ上の小さなパッドとキャリア上の大きなパッドを接合することです。 チップ が外界とつながることができます。ボンディングは、電気的な経路としても、機械的なアンカーとしても機能します。チップは縮小し続け、パワーデバイスの電流は上昇し続けるため、ボンディングは正確で再現性があり、強力である必要があります。このガイドでは、一般的なボンディングの方法、使用される材料、プロセスの仕組み、不具合の原因、ボンディングのテスト方法、簡単な設計ルール、業界の方向性を示します。

比較ワイヤーボンディングとフリップチップの比較

特徴	ワイヤーボンディング	フリップチップ
概要	成熟し、広く使用されている相互接続方法。金、アルミニウム、または銅でできた細いワイヤーを使用して、チップのパッドとパッケージのリード線、またはパッケージのリード線を接続します。 PCBパッド.	チップを反転させて直接接続する新しいパッケージング方式。 PCB基板 小さなはんだバンプを通して、短くダイレクトな経路を作ります。
ボンディング・スタイル	– ボールボンディング:ワイヤー先端に小さなボールを形成し、熱と力で接着し、もう一端をリードフレームまたは PCB接点. – ウェッジ・ボンディング:ボールを形成することなく、圧力と超音波エネルギーを使用します。 PCBパッド.	– はんだバンプ:電気メッキ、蒸着、スクリーン印刷などの方法で作られたもの。 - バンプはダイを直接 PCB基板電気的および機械的接合部として機能します。
プロセスステップ	1.基板と PCB表面. 2.ダイを置き、位置を合わせます。 3.第1ボンドと第2ボンド（ボールまたはウェッジ）を形成します。 4.ワイヤーを切り、ループの形を整えます。 5.必要であれば、ダイを保護するためにカプセル化を追加します。 PCB接続.	1.チップパッドにはんだバンプを形成します。 2.チップを PCB基板. 3.加熱してはんだをリフローし、接合します。 4.アンダーフィルを塗布し、チップとチップの接着を強化します。 プリント基板.
メリット	- 低コストで実績のあるプロセス PCBベースのパッケージング. - 多くのパッケージタイプとチップサイズで動作します。 - 設計変更が容易で、試作が迅速 PCBアセンブリ. - 大量生産にも対応できる信頼性。	- 高いI/O密度と短いインターコネクト PCBパッド. - より優れた電気的および熱的性能。 - コンパクトで省スペース PCBレイアウト. - 高度な3Dパッケージング統合をサポートします。
課題	- フリップチップオンと比較して、面積あたりのI/Oが少ない プリント基板. - 長いワイヤーは抵抗とキャパシタンスを増加させ、次のことに影響します。 PCB性能. - エッジに沿ったパッドには、より大きなダイ面積が必要。 - RFや超高速での使用は制限されています。	- にとって、プロセスはより複雑でコストがかかります。 PCBアセンブリ. - との整合性 PCB基板 は正確でなければなりません。 - ダイとPCB間の熱応力は寿命を縮めます。 - 完成品の修理や再加工が難しい プリント基板.

ワイヤーボンディングとは何か、なぜ重要なのか

ワイヤーボンディングは チップス パッドをパッケージのリード線や基板のトレースに接続します。ワイヤーは通常、用途に応じて数マイクロメートルから数百マイクロメートルの細い金属糸です。ループ状、直線状、リボン状のものがあります。リンクは電気抵抗が低く、機械的強度に優れ、ヒートサイクルや振動に耐える安定したものでなければなりません。また、使用中の成形、はんだ付け、加熱といった後の工程にも耐えなければなりません。

ワイヤーボンディングは、シンプルなDIPから複雑なBGAやマルチチップモジュールまで、多くのパッケージタイプに柔軟に対応でき、コスト的にも優しいため、多くのエンジニアに選ばれています。ワイヤーボンディングは、幅広いピッチに対応し、ミックスドシグナルチップにも有効で、業界ではよく知られたプロセスです。フリップチップは、リンクを短くし、RFや熱経路を改善することができますが、コストが高くなったり、上流の変更を余儀なくされることがよくあります。多くの製品では、ワイヤーボンディングがコストと性能のバランスに優れています。

このステップが重要なのは、設計と実際のプロセスが出会うからです。よくできたパッドと安定した工程は、長い寿命をもたらします。材料、ループ形状、機械のセットアップで間違ったピックを行うと、初期不良や隠れた欠陥が発生し、それが後になって現れます。パワーデバイスでは、弱い接合は発熱や完全な故障の原因になります。民生用チップでは、ランダムエラーや早期返品につながる可能性があります。自動車や航空宇宙分野では、接合プロセスが承認と安全使用の鍵となります。

接着方法と材料

ボールボンディング

ボールボンディングは、金線や多くの銅線に最も使用される方法です。このプロセスは、通常スパークや炎によってワイヤーの先端に小さなボールを形成することから始まります。キャピラリーと呼ばれるツールでボールをダイパッドに押し付けます。ボンド面が中温に加熱される間、超音波エネルギーと力が加えられます。熱と振動の混合により、溶接のような接合部が形成されます。その後、ワイヤーを基板パッドまたはリードフレームに移動し、ワイヤーを所定の位置に押し付けてエネルギーを加えることにより、2回目の接合を形成します。ボールボンディングは、柔らかいパッドでも強力なファーストボンドが形成でき、ファインピッチにも対応できるため、人気があります。

ウェッジボンディング

ウェッジボンディングはウェッジツールを使用し、アルミニウムワイヤーや一部の銅ワイヤーによく使用されます。ウェッジがスライドし、せん断、超音波エネルギー、熱によってワイヤーを接着します。ウェッジボンディングは、リバースボンディングとステッチボンディングが可能です。ファインピッチに柔軟で、ボンドループが強力でなければならないパワーおよびRFパッケージで有用です。

リボン接着

リボンボンディングは、平らなリボン状のワイヤーを使用し、非常に低いインダクタンスと低抵抗を実現します。リボンはウェッジツールでボンディングでき、大電流や良好な熱経路が必要な場合に使用されます。ピッチが小さいと柔軟性に欠けますが、パワーモジュールや電線対基板リンクでは一般的です。

プロセスと結合形成

結合は原子が表面で混ざり合うことで形成されます。薄い酸化物や汚れはそれを妨げます。超音波のエネルギーが表面をこすり、熱が原子の混合を促進します。力を加えて密着させます。適切なバランスは、薄く均一な層と強い接合部を作ります。熱を加えすぎると、厚く脆い層になります。力が強すぎるとパッドを傷つけます。コントロールが悪いと、見た目は問題なくても、後のサイクルやショックで不具合が生じることがあります。

実際の工場では、ほとんどの作業を機械が行います。ワイヤーボンダーはビジョンを使ってダイとツールを動かします。機械は最初のボンディングを行い、ループ形状を設定し、次に2回目のボンディングを行い、ワイヤーを切断します。機械が設定を記録するので、エンジニアは変更を確認できます。レシピには、ワイヤーの種類とサイズ、接合時間、パワー、力、熱、接合サイズなどが含まれます。エンジニアは、安定性をチェックするために、引っ張り試験やせん断試験を頻繁に行います。

品質、テスト、信頼性

品質チェックの方法

ボンドは電流を通し、長持ちしなければなりません。品質はプルテスト、せん断テスト、目視チェック、ストレステストでチェックされます。引っ張り試験では、ワイヤーが切れるまで引っ張り、その力を記録します。せん断試験は、ボンドされたボールを切断し、その力を記録します。これらは、接着強度とプロセスドリフトを素早くチェックするものです。

一般的な故障モード

典型的な故障は、パッドが外れるパッドリフト、足の近くでワイヤーが切れるヒールクラック、厚く脆い層、過酷な使用での腐食です。銅線の場合、腐食と層の成長が主なリスクとなるため、工場ではガスコントロール、特殊工具、シーラントなどを使用します。

ストレステスト

ストレステストも重要です。熱サイクルはチップ、ワイヤー、パッケージにストレスを与えます。繰り返されるサイクルにより、亀裂、浮き上がり、または接合部を弱める成長が生じます。パッケージのシールが弱い場合、湿気は結合部（主に銅）を腐食します。振動と衝撃試験ループ設計とアンカー。自動車や航空宇宙では、品質を証明するために一連のストレステストが必要です。

設計ルールとベストプラクティス

パッドの金属、サイズ、レイアウトが結果を形作ります。設計者はワイヤーに合った金属を選ぶべきです。金やアルミの場合はアルミパッド、銅の場合はバリアスタックです。パッドはボンドフットに対して十分な大きさが必要です。ループの高さと形状も設計の一部です。ループが低いとショートする可能性があり、高いとクラックが入る可能性があります。ワイヤー経路は急な屈曲を避け、金型の圧力に影響されないようにします。

設計は、電流と熱のニーズにも適合していなければなりません。電流が大きい場合は、ワイヤーサイズや多くのワイヤーが必要になる場合があります。電力用には、リボン状または多数のワイヤーを使用します。熱 ラジオ周波数ループの長さと形状は、信号のニーズに合わせて設定する必要があります。

今後の方向性

ワイヤーボンディングの未来は、金属、機械、新しいパッケージにあります。銅はコストが安く、より多くの電流を扱うことができるため、銅の使用はさらに増えるでしょうが、それには慎重な加工と空気管理が必要です。より良いツールは摩耗と酸化を減らします。ラインにセンサーを設置することで、工場はドリフトをより早く確認できるようになります。超ファインピッチでは、ワイヤーボンディングとフリップチップ、ビア、ウェーハレベルパッケージが混在しています。レーザーボンディングやハイブリッドボンディングはニッチな分野に登場します。

よくあるご質問