ボンディングワイヤ

ボンディングワイヤとは

ボンディングワイヤは、ICやLSIなどの半導体デバイスの製造工程の一つ「ワイヤボンディング」工程で使われる細い金属線で、半導体素子とパッケージ外部との間で電力や電気信号をやり取りするための接続素材です。

半導体製造の前工程で作られたICチップは、後工程でウエハーから切り離され、１個ずつパッケージ内のリードフレームと呼ばれる金属板に固定されます。その後、チップの電極とリードフレーム間を接続するのがボンディングワイヤです。

ボンディングワイヤの使用用途

ボンディングワイヤは、半導体デバイス製造の後工程で、半導体素子の電極パットとリードフレームとを接続する材料として使用されます。

ワイヤボンディング工程は、電極へワイヤを接続し、ワイヤを変形させてループを形成し、外部端子へワイヤを接続した後、ワイヤを切断するという過程を高速で繰り返します。これは、ディスクリート半導体や汎用ICのようなピン数の少ない半導体デバイスでも、LSIのような100ピン以上もある半導体でも変わりありません。

ボンディングワイヤの原理

ボンディングワイヤの材質には、金、銀、銅、アルミニウムがあります。

金ボンディングワイヤは、最も一般的に使用されている高性能なワイヤです。導電性、耐食性、加工性、化学的安定性に優れていて、チップ電極とリードフレーム間の距離が長いロングスパン、リード間の間隔が非常に狭いファインピッチのボンディングに威力を発揮します。純度99%以上の金でできているため、高価であるというデメリットもあります。

銀ボンディングワイヤと銅ボンディングワイヤは、高価な金ボンディングワイヤに変わって大幅なコストダウンと目指して開発されたものです。

アルミ・ボンディングワイヤは、過酷な環境下で大電流を流すことが要求されるパワーデバイスで使用されます。ボンディング性や耐湿性に優れ、径の太いワイヤやリボン状のワイヤとして使用されています。

ボンディングワイヤの接続方法には、ボールボンディング方式とウェッジボンディング方式があります。

ボールボンディングは、最も一般的なワイヤボンディング方式です。ボンディングワイヤは、ボンディング装置のキャピラリと呼ばれる管を通っていて、放電によってキャピラリ下部のワイヤが溶融し先端に金属のボールを形成します。キャピラリは接続箇所の真上から下へ降りていき、ボールが金属パッドに当たったところで超音波や熱、荷重をかけてワイヤを変形させパッドに接合させます。

ボールボンディングでは、金・銀・銅ワイヤを使用しますが、アルミニウムワイヤは放電によって表面が酸化するためボールボンディングには適していません。

ウェッジボンディングは、ワイヤを通したウェッジと呼ばれるツールでワイヤに超音波と荷重をかけてワイヤをパッドに接合させます。ボールボンディングのように放電を起こしてワイヤを溶かすことがないので、アルミニウムワイヤのボンディングによく使われますが、金・銀・銅ワイヤも使用できます。

参考文献
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jiep1998/5/4/5_4_412/_pdf
https://tanaka-preciousmetals.com/jp/products/detail/bonding-wires/
http://www.smallprecisiontools.com/file/products/bonding/allcatalogues/Bonding%20Capillaries%20-%20Catalogue%20-%20Japan.pdf