ボールボンディング

ボールボンディングはワイヤボンディングの一種であり、半導体デバイスの製造中に、ベアシリコンダイとそれが配置されるパッケージのリードフレームとの間の電気的相互接続を行う最も一般的な方法です。

金線または銅線を使用できますが、金線の方が一般的です。金線は酸化物が溶接時に問題にならないためです。銅線を使用する場合は、ワイヤボンディングプロセス中に銅酸化物が形成されるのを防ぐために、窒素をカバーガスとして使用する必要があります。銅は金よりも硬いため、チップの表面が損傷する可能性が高くなります。しかし、銅は金よりも安価で、電気特性が優れているため、^[1]依然として魅力的な選択肢です。

最新のボール ボンディング プロセスのほとんどは、熱、圧力、超音波エネルギーを組み合わせてワイヤの両端を溶接します。使用されるワイヤの直径は 15 μm ほどに小さく、複数の溶接部が人間の髪の毛の幅に収まるほどです。

ボール ボンダーを初めて見た人は、通常、その動作をミシンの動作と比較します。実際には、針状の使い捨てツールであるキャピラリーがあり、この中をワイヤーが通されます。ワイヤーには高電圧が印加されます。これにより、キャピラリーの先端でワイヤーが溶けます。溶けた金属の表面張力により、ワイヤーの先端はボール状になります。

ボールはすぐに固まり、キャピラリーはチップの表面まで下げられます。チップの表面は通常 125 °C 以上に加熱されます。次に、機械がキャピラリーを押し下げ、付属のトランスデューサーで超音波エネルギーを適用します。熱、圧力、超音波エネルギーの組み合わせにより、銅または金のボールとチップの表面 (通常は銅またはアルミニウム) の間に溶接が作成されます。これが、このプロセスの名前の由来となっている、いわゆるボール ボンドです。 ^[2] (半導体製造におけるオール アルミニウム システムでは、純金のボンディング ワイヤに時々見られる「紫色の疫病」 (金とアルミニウムの脆い金属間化合物) が除去されます。この特性により、アルミニウムは超音波ボンディングに最適です。)

次に、ワイヤはキャピラリーを通して引き出され、機械は数ミリメートル移動して、チップを配線する必要がある場所（通常はリードフレーム^[3]と呼ばれる）に移動します。機械は再び表面まで降りてきますが、今回はボールを作らずに、ワイヤがリードフレームとキャピラリーの先端の間で押しつぶされるようにします。今回は表面は通常、金、パラジウム、または銀ですが、溶接は同じ方法で行われます。結果として得られる溶接は、ボールボンドとは見た目がかなり異なり、ウェッジボンド、テールボンド、または単にセカンドボンドと呼ばれます。

最後のステップでは、機械が短い長さのワイヤーを繰り出し、クランプのセットを使用して表面からワイヤーを引き剥がします。これにより、毛細管の端からワイヤーの小さな尾が垂れ下がります。その後、サイクルが再び開始され、この尾に高電圧の電荷が印加されます。

ボールが形成された直後にワイヤを切断するプロセスはスタッドバンピングとも呼ばれます。スタッドバンピングは、システムインパッケージ（SIP）モジュールでチップを積み重ねるときに使用されます。^[4]

現在の最先端の機械 (2003 年時点^{[アップデート]}) は、このサイクルを 1 秒間に約 20 回繰り返すことができます。最新のボール ボンダーは完全に自動化されており、本質的にはビジョン システム、センサー、複雑なサーボ システムを備えた自立型産業用ロボットです。

圧電トランスデューサは、ボールボンディングプロセスで超音波エネルギーを供給するために使用されます。これらのトランスデューサは、ボルトクランプトランスデューサまたはランジュバントランスデューサとして知られています。これらは、すべてボルトで固定された金属部品と圧電素子で構成されています。これらのトランスデューサは、横方向の振動の共振周波数で動作し、キャピラリーに横方向の超音波励起をもたらします。トランスデューサの横方向に沿って、節点（大きな変位）と腹点（変位なし）が存在します。圧電素子は、交流電圧励起（共振周波数になります）で膨張および収縮し、それによって構造に共振振動を励起します。通常、いくつかの素子が積み重ねられ、印加電圧に対する電界が増加します（電界に比例して応力が生成されます）。圧電素子から構造へのエネルギー伝達を最大化するために、それらは節点に配置されます。節点は、高ひずみおよび高応力領域です。同時に、周囲へのエネルギー損失を最小限に抑えるために、トランスデューサは腹点（変位なし）に保持されます。^[5]

トランスデューサーの先端では、テーパーホーンを使用して振動を増幅します。直線テーパーや放物線テーパーなど、さまざまなテーパープロファイルを使用して、目的の結果を得ることができます。ホーンのテーパーにより断面積が縮小し、超音波エネルギー密度が大きくなり、先端付近の変位が大きくなります。このため、毛細管は先端付近に配置されます。毛細管では高次の曲げモードが励起されますが、これは非常に不理想的です。この影響を軽減するために、毛細管のクランプ位置は毛細管の腹に調整されます。理想的には毛細管は短いですが、届きにくい場所で結合を行う必要があるため、これは不可能です。^[5]

ボルトはホーンにねじ込むことで構造全体を固定します（構成によって異なります）。パフォーマンスを最適化するには、適切なプリロードを施す必要があります。圧電セラミックは張力に弱いため、大きなプリロードをかけると、バイアス応力によりセラミックは主に圧縮状態で動作します。^[5]

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