ワイヤーボンディングとリボンボンディング:パワーモジュールのインターコネクト選択

半導体パッケージにおいて、ワイヤーボンディングとリボンボンディング(ボンディングバンドとも呼ばれる)は、ダイパッドをリードフレームや基板に接続する一般的な2つの方法です。違いは導体の断面形状にあり、一方は丸いワイヤー、もう一方は平らなリボンです。

この記事では、ボンディングワイヤーやボンディングリボンの形でダイ ・トゥ・パッケージ接合材料について 扱います。電気接地ストラップ、太陽光発電リボン、接地編みは扱いません。

以下のセクションでは、電流、熱放散、信頼性、等価変換、コスト、用途について説明し、パワーモジュールにおける丸線とフラットリボンのどちらを選ぶかを助けます。

一目で見た目:丸いワイヤーと平らなリボン

• ワイヤーとリボンの違いは断面形状(丸いか平らか)であり、プロセスではありません。リボンはくさび形でしか接合できません。
• 1本のリボンで複数の太い丸いワイヤーを並列に置き換えることができ、接合ポイントの数を減らすことができます。
• 高電流で小出力のパッケージはリボンを好みます。細かいピッチや任意の方向のルーティングは丸いワイヤーを好みます。

半導体パッケージにおけるワイヤーボンディングとは何ですか?

ワイヤーボンディングは、超音波、熱声波、または熱圧縮のエネルギーで駆動される細い金属線を用いて、ダイパッドをリードフレームや基板に接続するパッケージングインターコネクト技術です。

一般的なワイヤー材料には金、アルミニウム、銅、銀があり、直径は12ミクロン以上の細いワイヤーから数百ミクロンの太いワイヤーまでさまざまです。

今日に至るまで、最も成熟し広く使われているダイレベルインターコネクト方式であり、業界関係者によれば、世界中のほとんどのダイ・トゥ・パッケージ接続は依然としてワイヤーボンディングで作られているとされています。フリップチップのような代替手段に対しても、低〜中ピン数、電力、離散デバイスパッケージにおいて依然として主力となっています。

しかし、ワイヤーボンディングで使われる導体は、断面が丸いものに限定されません。丸いワイヤーを長方形に平らにするとリボンボンドが得られます。これは超音波接合ですが、導体の形状が異なります。

その形状の違いこそが、その後のパフォーマンスやプロセスのトレードオフを生み出しています。

丸いワイヤーとフラットリボンの違いは何でしょうか?

最も一般的な誤解は、リボンボンディングを別の「プロセス」として扱うことです。実際、リボンボンディングとラウンドワイヤーボンディングの違いは、プロセス経路ではなく材料の形状にあります。

丸い線は直径で表される円形断面を持ち、細い線から太い線まで幅広くカバーします。平線リボンは長方形の断面を持ち、幅×太さの2次元で表されます。例えば1.0 mm×0.1 mmです。

どちらも超音波接合材料です。リボンは新しいプロセスではなく、「ワイヤーを平らにする」ことで得られる新しい特性のセットです。

重要なポイントは、断面形状が変わると、使える接合プロセス、流れる電流、そして適合するパッケージもすべて変化するということです。

丸線は直径(直径)を1つ調整し、リボンは幅と太さの2つがあり、設計の柔軟性が高まります。これは後の等価変換で非常に明確になります。

命名についての簡単な注意点:リボンは文献ではボンディングバンドやリボンワイヤーとしても登場し、いずれも同じ平らなボンディングリボンを指し、太陽光リボンとは混同しないでください。

接着プロセスが材料選択にどのように関わるか

ワイヤーとリボンのトレードオフを理解するには、まず非対称な事実から始めましょう。リボンはウェッジボンディングのみが可能で、丸ワイヤーはボールボンディングとウェッジボンディングの両方で動作します。

各接合サイクルの開始時に、ボール接合はワイヤーの尾を溶かしてボール状(フリーエアボール、FAB)にし、電気火花を発生させ、その後最初の結合として接合します。これは非指向性で、2つ目の接合は任意の方向に配置可能で、高速で主に細金、銅、パラジウム被覆銅、銀の線に使われ、通常は高温が必要です。

ウェッジボンディングはボールを形成しません。圧力と超音波エネルギーの下で直接接合し、ループが低く方向制約があり、リボンだけでなく、どんなサイズの丸いワイヤーにも接合可能です。アルミニウムワイヤーとアルミニウムリボンは室温で超音波接合が可能です。

なぜリボンはウェッジボンディングしかできないのですか?その平らな断面は、丸いワイヤーのようにボールボンダーでは全方向に接地できないため、専用のウェッジツールで方向性に接合しなければなりません。言い換えれば、「リボン+ボールボンディング」の組み合わせは物理的に存在しません。

これが材料のプールを定義します。くさび接合ではアルミニウム線とすべてのリボンタイプが使われます。ボール接合では細径の貴金属線や銅製の丸線が得られます。

この2つのプロセスについて詳しく知りたい方は、ボール ボンディングとウェッジボンディング のガイドをご覧ください。

リボンが勝つ場所 — 電流、熱、信頼性

大電流の用途において、リボンの利点は単に「断面積が大きい」だけにとどまらず、より具体的な仕組みがあります。

ダイへの流入電流がより均一になります。発表された技術研究によると、複数の丸いワイヤーを同じパッド上に並列にすると、それらの接合面積は分離し連続的でないと指摘されています。これらの散乱点から大きな電流がダイに流れ込むと、局所的な熱放散や電界の違いが生じることがあります。一方、リボンは連続して大きな接触面積を提供し、電流がより均等にダイに入ります。

高出力・高電流のデバイスでは、連続して大きな接合面積がより多くの電流を流すことがよくあります。

より良い熱放散。より大きな接触面積と表面積は熱の放散に役立ち、高電流で連続運転する電力機器において重要です。

寄生インダクタンスの低下。RFや高周波の経路において、リボンの低いインダクタンスは二次的ですが実際の利点です。

温度サイクル下での耐久性。発表された研究によると、温度サイクル下では、同等のアルミニウムリボンの結合寿命は同等のアルミニウム線の約2.17倍に達することが示されています(電流を承載能力が同等のAlリボンと比較した場合)。

参考までに、公開されたデータによると、約1cmのループ長で300μmのアルミワイヤーはおよそ25A、500μmのワイヤーは約60Aを運びます。これは試験条件によって変動し、あくまで桁数の参考に過ぎません。

これらの利点は、高電流密度のIGBT/SiCパワーモジュールで最も顕著に現れます。

リボンは1本、ワイヤーは何本?等価論理

エンジニアが最も実用的に問う質問の一つは「現在N本の重いアルミ線を使っていますが、リボンを何本置き換えるか?」ということです。答えるには、表を暗記するのではなく、まず変換ロジックを理解することが大切です。

変換の本質は、断面積×抵抗率によって決まる、等長にわたる等しい抵抗です。リボンの幅×断面積は複数の丸いワイヤーの断面積の合計に等しく、断面が一致し、同じ長さの抵抗も一致します。

公開された変換データによると、幅と太さの比率がおよそ10:1のアルミニウムリボンは、直径がリボンの太さと等しい約12本のアルミニウム線、すなわち約8本の銅線を置き換えることができます。例えば、1.0 mm×0.1 mmのアルミニウムリボンの断面積は約100,000 μm²であり、100 μmのアルミニウム丸ワイヤーは約7,854 μm²で、これは上記の図と一致する約12.7の比率です。

実例を挙げると、現在380μmのアルミニウム線を4本使っているとします。総断面積は約0.454 mm²です。2.0 mm ×0.25 mmのアルミニウムリボン(断面積0.5 mm²)が電気的同等物として十分です。手順はシンプルです — ワイヤー断面積を合計し、同じかやや大きい断面積のリボンを選び、パッケージ条件に照らして検証します。

快速幾何学的同値(断面積から導き、丸めた):

(断面幾何学から計算され、実際の選択は現在およびプロセスウィンドウを考慮しなければなりません。)

異なる材料は、抵抗率が異なるため、異なるワイヤー数を置き換えます:ρ_Al ≈ 2.7、ρ_Cu ≈ 1.7、ρ_Au ≈ 2.3 ×10⁻⁶ Ω·cm)。銅の抵抗率が低いため、同じ断面積の銅リボンはアルミニウムのリボンよりも異なる配線数を置き換えます。

この変換による実用的な利点は、結合数が減り、故障の可能性のあるインターフェースが減り、接合サイクルが速くなることです。

ただし、同値変換は「電気的同値」の出発点に過ぎず、最終選択ではループの高さ、パッドサイズ、プロセスウィンドウを考慮しなければなりません。

リボンボンディングは実際にコストを下げるのでしょうか?

リボンへの切り替えは本当にコスト削減につながるのでしょうか?答えは単純な「はい」か「いいえ」ではなく、複数のコスト要因の組み合わせによります。

材料費

単価は 金、銀、銅、アルミニウムの接着ワイヤー で大きく異なります。金が最も高く、銅やアルミニウムはより経済的です。材料の選択自体がコストレバーであり、ワイヤーとリボンの形状の選択に加えて考慮されます。

ボンド数とスループット

複数のワイヤーを1本のリボンに置き換えることで、接合サイクルが減り、接合リズムが速くなり、1パッケージあたりの接合作業時間を短縮できます。これは大量生産におけるリボンの最も直接的な経済性の源です。

信頼性コスト

接合面が少なければ、故障点の発生も少なく、時間の経過とともに再作業や故障関連コストの削減に寄与します。

一方で一度きりの投資

リボンは専用のくさび工具とディープアクセスボンドヘッドを必要とするため、導入には一度きりの機器や工具の投資が必要です。少量の取引や成熟したヘビーワイヤーラインが存在する場合、切り替えは効果が見合わないことがあります。

したがって、コスト削減の有無は、材料単価だけでなく、所有コスト(材料、労働、歩留まり、設備の償却)の合計にかかっています。切り替えが価値があるかどうかは、パッケージの種類、生産量、ラインの現状によって異なります。

どの用途でワイヤーとリボンを使いますか?

現在の要件や音高の要件は用途によって異なり、適切な選択も変わります。これを活用して、あなたの条件を素早く見つけましょう:

パワーモジュール(IGBT / SiC / DBC)

高電流の道 — 重いアルミ線とアルミリボンのホームターム。

自動車およびEV

モーター制御モジュール、バッテリーモジュール、CCS高電流インターコネクトなど、リボンの信頼性とサイクルタイムの利点が際立っています。

RF/マイクロ波

リボンの低インダクタンスが二次的な利点となる高周波信号経路。

LED /オプトエレクトロニクス

主に細い丸線でボールボンディングが施されています。高出力LEDはリボンへの傾向を示しています。

IC / 論理 / MEMS

細いピッチと高いピン数――細いラウンドワイヤーの得意分野です。

アプリケーションは電流とピッチの要件を設定し、それがワイヤーかリボンかを決定します。パワーモジュールのシナリオに関する詳細は、半導体パッケージングアプリケーションページをご覧ください。

選び方は丸いワイヤーかリボンか?

利点を説明した上で、全体像も重要です。リボンがすべてに優れているわけではなく、多くの場合、丸いワイヤーが正しい選択です。

丸いワイヤーが勝つ場所です。

リボンは方向性があり、ラウンドワイヤーのように全方向にルーティングできないため、急な曲がりや複雑なルーティングには柔軟です。細いピッチのICや信号線はラウンドワイヤー領域のままです。リボンは専用のウェッジツールとディープアクセスボンドヘッドも必要で、すべてのラインがプラグアンドプレイで採用できるわけではありません。

正直に向き合う失敗モード。

公開された破壊解析によると、セカンドボンドリフトやヒールクラックはリボンの実際の破壊モードであり、リボンは接合プロセスウィンドウや界面の清浄度により敏感です。これはリボンに対する反論ではなく、対応するプロセス制御が整備されていることを改めて示すものです。

決断のクイックリファレンス:

最終的に選ぶことはシナリオに合わせることであり、リボンが無条件にワイヤーより優れているわけではありません。

切り替えの資格付け — 結合試験と実用チェックリスト

試着リボンを決めた後も、ボンドの品質を確認する方法や採用前に何をチェックすべきかを知っておく必要があります。

結合強度の検証方法。

主流の2つの方法があります:ワイヤープルテスト(破壊的引力、ループと結合強度の評価)と結合せん断試験(せん断力、結合界面の評価)です。

リボンドは接触面積が大きいため、主にせん断/押し出試験で評価されますが、丸線は主に引き上げ試験に依存します。試験方法はASTM F459やJEDEC JESD22-B116Aなどの規格に従うことができます(引用前に現在の改訂版を確認してください)。

これらの試験は「結合強度」の問題に答えるものであり、材料自身の断裂荷重や伸縮のサンプリング検査を補完するのではなく補完するものです。

切り替え前評価チェックリスト:

• パッドのサイズとレイアウトはリボン幅やくさび形に対応できるか?
• ボンダーにはディープアクセスボンドヘッドとそれに合うウェッジツールがあるか?
• ダイアタッチ層(ソフトハンダ/ハンダペースト/銀エポキシ)はリボン接合の高超超音波エネルギーに耐えられますか?
• ループの高さとパッケージ内のクリアランスフィットを決めてください。
• 信頼性検証計画:温度サイクル/パワーサイクルに加え、プル/せん断サンプリング;
• サプライチェーン:リボンサイズやスプールのフォーマットが給餌システムに合っているか確認しましょう。

素材一目で — ワイヤーとリボンの選択肢

枠組みが整った今、利用可能な教材とその配置方法を紹介します。

ボンディングワイヤー:

• 金:非常に信頼性が高く、ボール結合の主力であり、界面での金属間成長が遅い。
• 銀合金:優れた電気伝導性と熱伝導性を持ち、金線の一般的な代替方向です。
• 銅/Pdコーティング銅:コストと信頼性のバランス;銅接合には不活性な雰囲気が必要です。
• アルミニウム:電力デバイスのくさび接合の主力です。室温で超音波結合を行います。

ボンディングリボン:

• アルミニウム:パワーモジュール内の高電流インターコネクトの主力です。
• 銅/金/銀:導電性と信頼性の違いに応じた選択肢。

河南チャルコは上記の材料に接着線と接着リボンの両方を供給しています。接合リボンは幅×厚さの複数種類があります。

仕様については、アルミニウムボンディングワイヤー、ゴールドボンディングワイヤー、銅/PDコーティング銅ボンディングワイヤー、シルバーボンディングワイヤー、ボンディングリボン製品ページをご覧ください。

インスタントクォート

半導体接合線

金の結合ワイヤー

銅ボンディングワイヤー

アルミニウム接着ワイヤー

銀合金接合ワイヤー

半導体接合リボン

アルミニウムボンディングリボン

銅柱

半導体スパッタリングターゲット材料

よくある質問

半導体パッケージにおけるワイヤーボンディングとは何ですか?

ワイヤーボンディングは、超音波、熱音波、または熱圧縮エネルギーで駆動される細い金属線を使い、ダイパッドをリードフレームや基板に接続します。これは最も成熟し広く使われているダイレベルのインターコネクト方式であり、一般的に金、アルミニウム、銅、銀の線が用いられます。

ワイヤーボンディングとリボンボンディングの違いは何ですか?

違いは導体の断面にあり、ワイヤーは丸い、リボンは平らな長方形です。リボンはウェッジボンディングのみ可能で、接触面積が大きく電流容量が高く、主に高電流のパワーパッケージで使用されます。丸いワイヤーは細いピッチや任意の方向のルーティングに適しています。

1本のリボンで何本のワイヤーボンドを交換できますか?

桁違いとして、幅と厚さの比率が約10:1のアルミニウムリボンは、直径がリボンの厚さと等しい約12本のアルミニウム線を置き換えることができます(正確な数はサイズや材料によって異なります)。変換は、等しい抵抗と等しい長さ、すなわち等価断面積に基づいています — 上記の等価断面を参照。

リボンボンドはヘビーワイヤーボンディングよりも信頼性が高いのでしょうか?

温度サイクルでは、同等のアルミニウムリボンは通常、同等のアルミニウム線よりも長持ちします(公表された研究では約2.17×とされています)。しかしリボンにはセカンドボンドリフトやヒールクラックなどの独自の破壊モードがあり、対応するプロセス制御が必要です。

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はワイヤーテールを溶かしてボール状にして接合します。これは細い丸いワイヤーの場合、非指向性かつ高速です。ウェッジボンディングはボールを形成せず、ループが低く方向制約があり、ラウンドワイヤーとリボンの両方を接地できます。当社の「ボールボンディングとウェッジボンディング」ガイドをご覧ください。

ワイヤーボンディングとフリップチップの違いは何ですか?

ワイヤー/リボンボンディングでは、ダイが上向きになり、金属ワイヤーでフレームに接続されます。フリップチップでは、ダイがバンプやはんだボールを介して直接反転し、ワイヤーなしで相互接続されます。本記事では、ワイヤーボンディングファミリー内でワイヤーかリボンかの選択に焦点を当てています。LEDや類似の用途では、それぞれのアプローチがそれぞれの役割を持っています—LEDパッケージボンディングワイヤーを参照。

ボンディングリボンはボンディングバンドやPVリボンと同じですか?

ボンディングリボンとボンディングバンドは、ダイボンディングで使われる同じ平らなリボンの二つの名称です。これは太陽光発電リボン(ソーラータブングリボン)や電気接地ストラップとは異なり、用途や仕様が異なります。