半導体ワイヤーボンディング |ボール接合とウェッジ接合

半導体パッケージングにおいては、チップは信号を伝達し、外部回路に電流を流すために信頼性の高い電気的接続を必要とします。チップサイズ、消費電力、パッケージ構造の違いにより、業界は通常異なる接合プロセスや対応する接合材料を用いています。

ワイヤーボンディングは、半導体パッケージングにおいて最も広く使われている相互接続技術の一つです。これは 、半導体接合ワイヤー やボンディングリ ボンを用いて、チップパッドをパッケージのリード、基板、またはその他の導電構造に接続します。

接続方法や用途のニーズに応じて、半導体業界では主に2つの接合技術が用いられています。

• ボールボンディング
• ウェッジボンディング

これら二つの過程は異なる物質系に対応しています。

したがって、 半導体接合材料を選ぶ際、顧客は通常、製品タイプ、包装方法、電気性能要件に基づいて適切な接合プロセスや材料をマッチングします。

本記事では、ボールボンディングおよびウェッジボンディングの動作原理、適用材料、選択方法を異なる応用シナリオで紹介します。これにより、顧客が半導体ボンディング材料間の適合性をよりよく理解できるようになります。

2. ボールボンディング:プロセス、材料、応用

ボールボンディングとは何ですか?

ボールボンディングは半導体パッケージングで最も広く使われている接合方法の一つです。主にチップパッドをパッケージのリード、基板、その他の導電構造に細い金属ワイヤーで接続し、電気信号の伝送を可能にします。

ボール接合工程では、まず電気的フレームオフ(EFO)を介して接合線の先端に金属球が形成されます。その後、金属球は熱、圧力、超音波エネルギーを用いてチップパッドに接続されます。その後、ワイヤーループ制御が接続経路を形成し、2つ目の接合を完成させます。

ボールボンディングの基本手順

1. ワイヤーの溶融

電気放電による高温がワイヤーの端を溶かし、球状の構造を形成します。

2. フリーエアボールフォーメーション

表面張力により、溶融した金属の液滴は規則的な球状の形状を形成し、フリーエアボール(FAB)として知られています。

3. 第一次ボンド形成

毛細管工具が金属球をチップパッド表面に押し付けます。熱、圧力、超音波振動によって安定した接続が形成されます。

4. ワイヤーループ形成

接合工具はワイヤーの形状を動かし制御し、パッケージ設計要件を満たすループの高さと経路を形成します。

5. 第二結合形成

ワイヤーの反対側では2つ目の結合が形成され、チップをリードフレーム、基板、その他の外部接続部に接続します。

ボールボンディングは主に、細線接続、小さなパッドピッチ、高密度パッケージングを必要とする半導体製品に適用されます。そのため、 ICパッケージング、メモリデバイス、 LEDパッケージング、その他の精密電子部品で広く使用されています。

ボールボンディングに使用される材料

ボールボンディングは通常、導電性、延性、接合安定性が優れた細かい金属線を使用します。材料の選択は主に半導体デバイス構造、パッケージング要件、電気性能要件、コスト要因に依存します。

現在、ボールボンディングで一般的に使われる材料は以下の通りです:

• 金結合ワイヤー

  優れた延性と成熟した接合応用経験により、金線はボール接合に広く用いられています。微細ピッチや高精度な接続を必要とする半導体パッケージング用途では、金線が安定した材料特性により微小接続のニーズを満たします。典型的な用途はICパッケージング、LEDパッケージング、RFデバイスです。

• 銅ボンディングワイヤー

  金に比べて導電率が高く、材料コストも有利であるため、銅接合線は現代の半導体パッケージにおいて重要な選択肢となっています。これは、パッケージングコストの最適化と電気性能の向上が必要な応用シナリオに適しています。典型的な用途は、先進的なICパッケージングや半導体デバイスです。

細線ボールボンディングプロジェクトでは、パッケージ構造、接合条件、信頼性要件に応じて、 銀合金接合線 は金線や銅線の代替として評価されることもあります。

ウェッジボンディング:プロセス、材料、応用

ウェッジボンディングとは何ですか?

ウェッジボンディングは半導体パッケージングにおけるもう一つの重要な接合方法です。主にウェッジツールを使って金属ワイヤーやリボンに圧力をかけ、超音波エネルギーを組み合わせて材料とチップパッド、リードフレーム、その他の導電構造物との間に安定した接続を形成します。

ボール接合とは異なり、くさび接合はワイヤー端で自由な空気球を形成しません。代わりに、くさび工具が材料表面を直接圧着します。超音波振動は摩擦を生み出し、金属表面に固体結合を形成します。

ウェッジボンディングは、一般的に、より高い電流承載容量、より広い接続面積、長期的な信頼性を必要とする パワー半導体パッケージ ングに適しています。そのため、IGBTモジュール、MOSFETパワーデバイス、新エネルギー車両パワーモジュール、パワーコンバージョンシステム、産業用パワーエレクトロニクスなどで広く使用されています。

主に細かいピッチICパッケージングに用いられるボールボンディングと比べて、ウェッジボンディングは接続強度、電流伝送能力、電力デバイス動作条件下での信頼性により重点を置いています。

ウェッジボンディングの基本ステップ

1. マテリアルポジショニング

接合ワイヤーまたはリボンはチップパッドまたは接続端子の指定された位置に配置されます。

2. 超音波エネルギー応用

くさび型は圧力をかけながら高周波の超音波振動を発生させます。これにより、材料とパッドの接触面で酸化膜層が破損し、金属の相互接続が形成されます。

3. 第一次ボンド形成

圧力と超音波作用により、チップパッドと接合材料の間に安定した接続が生まれます。

4. ワイヤー/リボンループ形成

接合線やリボンの接続経路はパッケージ構造要件に応じて制御されます。

5. 第二結合形成

もう一方の端は接続されており、チップと外部端子や回路構造との間に完全な電気的経路が確立されます。

ウェッジボンディングに使用される材料

ウェッジボンディングは通常、導電性が高く、機械的特性が良く、超音波接続に適した 金属ワイヤーやリボン を使用します。

パワー半導体用途は大電流を運び、長期的な熱サイクル環境に直面するため、アルミニウム接合線とアルミニウムリボンがウェッジボンディングの最も一般的な材料選択となっています。

現在、ウェッジボンディングでよく使われる材料には以下のようなものがあります:

• アルミニウムボンディングワイヤー

  アルミニウム接着線は優れた導電性、機械的特性、幅広い線径を提供します。パワー半導体ウェッジ接合部で広く使用されています。精密ICパッケージに使われる細い金属線と比べて、アルミニウム線はより高い電流容量を必要とする電力デバイスにより適しています。典型的な用途はIGBTモジュール、パワー半導体素子、自動車用電子モジュールです。

• アルミニウムボンディングリボン

  アルミニウム接合リボンは長方形の断面を特徴としています。丸い接合線と比べて接続面積が大きく、高電流のパワーエレクトロニクスパッケージに適しています。安定した電気接続能力により、新エネルギーおよび高出力モジュール分野で広く使用されています。典型的な用途は電気自動車のパワーモジュール、インバーターシステム、新エネルギーパワーエレクトロニクス機器です。

ボールボンディングとウェッジボンディングのコアの違い

ボールボンディングとウェッジボンディングは、半導体パッケージングにおける一般的な接合プロセスです。しかし、接続方法、工具構造、適用材料の違いにより、主に異なる種類の半導体製品に適用されます。

ボールボンディングは、高密度接続や細ピッチパッケージングを必要とする用途で一般的に用いられます。一般的な材料には、主にICやメモリデバイスなどの精密半導体パッケージに用いられる金や銅の接合線があります。

ウェッジボンディングは、より大きな電流容量と広い接続面積を必要とするパワーエレクトロニクス用途により適しています。一般的にアルミニウムボンディングワイヤーやアルミリボンを使用し、IGBT、パワーモジュール、新エネルギー電子機器に広く適用されています。

用途に応じて適切な接着方法を選ぶ方法

半導体パッケージングにおいて、接合方法の選択は主にチップの種類、パッケージ構造、電気的性能要件に依存します。異なる用途は接合プロセスや材料システムに対応します。

以下の表は、一般的な用途と接着材料のマッチング関係を顧客が迅速に理解するのに役立ちます。

FAQ

ボールボンディングとウェッジボンディングの違いは何ですか?

ボールボンディングとウェッジボンディングの主な違いは、接続方法、使用する工具、適用材料にあります。

ボールボンディングは金属球を形成することで接続を完了します。通常は金または銅の接合線を使用し、主にICやメモリデバイスなどの高密度半導体パッケージに使用されます。

くさび形の工具と超音波エネルギーを用いて接続を形成します。通常はアルミニウム接合線やアルミニウムリボンを用い、主にパワー半導体や高電流パッケージング分野で応用されます。

パワー半導体デバイスにはどの接合法が使われていますか?

パワー半導体デバイスは通常、ウェッジボンディングを使用します。

パワーデバイスは大きな電流を流し、長期的な熱サイクル環境で動作する必要があるため、くさび接合にはアルミニウムボンディングワイヤーやアルミニウムボンディングリボンがよく使われます。

典型的な用途には以下が含まれます:

IGBTモジュール

パワーモジュール

電気自動車電子システム

アルミニウム接着ワイヤーはボール接合に適していますか?

通常、アルミニウムボンディングワイヤーはボールボンディングよりもウェッジボンディング用途に主に使用されます。

これは、アルミニウム線は通常、より大きな線径と高い電流承留能力を必要とするパワー半導体パッケージに使われる一方、ボールボンディングは主に細かいピッチの高密度ICパッケージに用いられ、しばしば金や銅線が使われるためです。

接着材料を選ぶ際に考慮すべき要素は何ですか?

半導体接合材料を選ぶ際、特に 金、銀、銅、アルミニウムの接合線を比較する際には、以下を包括的に考慮する必要があります:

• アプリケーションタイプ
• ボンディング方法
• ワイヤー直径/リボン寸法
• 機械的特性
• 電気的要件

異なるパッケージ構造や適用環境では、接合材料の要件が異なり、特定のニーズに応じて調整する必要があります。

半導体パッケージに適した接合材料の選択

半導体パッケージングでは、用途要件、パッケージ構造、接合プロセスに基づいて適切な接合材料を選択する必要があります。

• ボールボンディングは主に細かいピッチの高密度半導体パッケージングに用いられ、一般的には金接着線や銅接着線が用いられます。
• ウェッジボンディングはパワー半導体の分野で広く使われており、通常はアルミニウムボンディングワイヤーとアルミニウムボンディングリボンが用いられます。

ボンディング材料の選択には、パッケージ形状、現在の要件、サイズ要件、適用環境を総合的に組み合わせた総合的な判断が必要です。

異なる接合方法や材料間のマッチング関係を理解することで、顧客は半導体用途のニーズに合った接合材料ソリューションをより効果的に選択できるようになります。