ワイヤーボンディングとは?

ウェアボンディングは、金属リードをパッドに接続する方法、つまり内部チップと外部チップを接続する技術です。

構造的には、金属リードはチップのパッド(一次ボンディング)とキャリアパッド(二次ボンディング)の間のブリッジとして機能します。初期にはリードフレームがキャリア基板として使用されていましたが、技術の急速な発展に伴い、現在ではPCBが基板としてますます多く使用されています。独立した2つのパッドを接続するワイヤボンディングは、リード材質、ボンディング条件、ボンディング位置(チップと基板を接続するだけでなく、2つのチップ、または2つの基板を接続する場合も含む)によって大きく異なります。

1.ワイヤーボンディング:熱圧縮/超音波/熱超音波
金属リード線をパッドに接続するには、次の 3 つの方法があります。

①熱圧縮法は、溶接パッドとキャピラリースプリッター(金属リードを移動させる毛細管状の工具に似たもの)を加熱・圧縮して接合する方法です。
②超音波方式は、加熱せずにキャピラリースプリッターに超音波を当てて接続します。
③サーモソニックは熱と超音波を組み合わせた複合方式です。
1つ目はホットプレス接合法で、チップパッドの温度をあらかじめ200℃程度に加熱し、次にキャピラリースプライサーの先端の温度を上げてボール状にし、キャピラリースプライサーを通してパッドに圧力をかけ、金属リードをパッドに接続します。
2つ目の超音波方式は、ウェッジ(キャピラリーウェッジに類似した、金属リードを移動させるためのツールですが、ボール状ではありません)に超音波を照射して、金属リードをパッドに接続します。この方式の利点は、プロセスコストと材料コストが低いことです。ただし、超音波方式では加熱・加圧プロセスを操作しやすい超音波に置き換えるため、接合部の引張強度(接続後にワイヤを引っ張る力)は比較的弱くなります。
2.接合金属リードの材質:金(Au)/アルミニウム(Al)/銅(Cu)
金属リードの材質は、様々な溶接パラメータを総合的に考慮し、最適な方法を組み合わせて決定されます。代表的な金属リードの材質は、金(Au)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)です。
金線は優れた導電性、化学的安定性、そして強い耐腐食性を備えています。しかし、初期のアルミニウム線使用における最大の欠点は、腐食しやすいことでした。金線は硬度が高いため、第一ボンドでは良好なボール形状を形成し、第二ボンドでは半円状のリードループ(第一ボンドから第二ボンドにかけて形成される形状)を適度に形成できます。
アルミ線は金線よりも線径が大きく、ピッチも大きいため、高純度の金線でリードリングを形成しても断線しません。一方、純アルミ線は断線しやすいため、シリコンやマグネシウムなどの合金を混ぜて使用します。アルミ線は主に高温実装(ハーメチックシールなど)や超音波方式など、金線が使用できない用途で使用されます。
銅線は安価ですが、硬すぎます。硬度が高すぎるとボール形成が困難になり、リードリングの形成にも多くの制約が生じます。さらに、ボールボンディング工程ではチップパッドに圧力をかける必要があり、硬度が高すぎるとパッド底部のフィルムに亀裂が生じます。さらに、しっかりと接続されたパッド層が「剥離」する可能性もあります。

しかし、チップの金属配線は銅で作られているため、銅線を使用する傾向が高まっています。銅線の欠点を克服するために、通常は少量の他の材料と混合して合金を形成します。