ワイヤーボンディング

パワーパッケージ内の相互接続は、太い (250 ～ 400 μm) ウェッジ接合されたアルミニウムワイヤを使用して行われます。

ワイヤボンディングは、半導体デバイスの製造中に集積回路(IC) またはその他の半導体デバイスとそのパッケージを相互接続する方法です。ワイヤボンディングは、IC を他の電子機器に接続したり、プリント基板(PCB) を別のプリント基板に接続したりするためにも使用できますが、これらはあまり一般的ではありません。ワイヤボンディングは、一般的に最も費用対効果が高く柔軟な相互接続技術であると考えられており、ほとんどの半導体パッケージの組み立てに使用されています。ワイヤボンディングは、100 GHz を超える周波数で使用できます。^[1]

材料

ボンドワイヤは通常、次のいずれかの材料で構成されます。

ワイヤの直径は 10 μm未満から始まり、高出力アプリケーションでは数百マイクロメートルまでになります。

ワイヤボンディング業界は、金から銅へと移行しつつあります。^[2]^[3]^[4]この変化は、金の価格上昇と、比較的安定し、はるかに低い銅の価格によって引き起こされました。銅は金よりも高い熱伝導性と電気伝導性を持っていますが、以前は硬くて腐食しやすいため、信頼性が低いと考えられていました。2015年までに、使用されているワイヤボンディングマシンの3分の1以上が銅用に設定されると予想されています。^[5]

銅線は、多くの半導体およびマイクロエレクトロニクスのアプリケーションにおいて、ワイヤボンディング相互接続用の好ましい材料の 1 つになっています。銅は、10 マイクロメートル (0.00039 インチ) から最大 75 マイクロメートル (0.003 インチ) のサイズの細線ボールボンディングに使用されます。 ^[6]銅線は、より小さな直径で使用でき、高い材料コストをかけずに金と同じ性能を発揮します。より小さな直径が可能なのは、銅の電気伝導率が高いためです。銅ワイヤボンドは、少なくとも金ワイヤボンドと同等、あるいはそれ以上の信頼性があります。^[7]

最大500マイクロメートル（0.02インチ）^{[8]の銅線は}ウェッジボンディングが可能です。大電流容量が必要な場合や複雑な形状に問題がある場合、大径銅線はアルミニウム線の代わりに使用できます。メーカーが使用するアニーリングとプロセスステップにより、ダイに損傷を与えることなく大径銅線をシリコンにウェッジボンディングする能力が向上します。

銅線は金やアルミニウムよりも硬いため、接合パラメータを厳密に制御する必要があるという点で、いくつかの課題があります。超音波接合中に使用される電力量は高くする必要があり^[9]、銅は溶断電流が大きいため、電流容量が大きくなります^[10] 。この材料には酸化物の形成がつきものなので、保管と保存期間を考慮する必要があります^[7] 。銅線を保護し、保存期間を長くするには、特別なパッケージが必要です。パラジウムコーティングされた銅線は、一般的な代替品であり、純銅よりも硬度が高く、価格も高くなりますが、金よりは安価ですが、腐食に対する優れた耐性を示しています。ワイヤボンドの製造中、銅線とそのメッキされた種類は、腐食を防ぐために、形成ガス[95% 窒素と 5% 水素] または同様の無酸素ガスの存在下で作業する必要があります。銅の相対的な硬度に対処する方法は、高純度 [5N+] の種類を使用することです^{[5] 。}

長期的な腐食効果（Cu2Si）やその他の安定性の問題により、自動車用途での使用時には品質要件が高まりました^[11]

ボールボンディングには通常、ベリリウムやその他の元素を一定量添加した純金線が使用されます。このプロセスでは、熱、圧力、超音波エネルギーを使用して 2 つの材料を結合します。このプロセスはサーモソニックボンディングと呼ばれます。サーモソニックボンディングで最も一般的な方法は、チップにボールボンディングしてから、基板にステッチボンディングすることです。処理中に非常に厳密に制御することで、ループ特性が向上し、たるみがなくなります。

通常、接合サイズ、接合強度、および導電性の要件によって、特定のワイヤボンディングアプリケーションに最適なワイヤサイズが決まります。一般的なメーカーは、直径 8 マイクロメートル (0.00031 インチ) 以上の金ワイヤを製造しています。金ワイヤの直径の製造許容範囲は +/-3% です。

合金アルミニウム線は、高電流デバイスを除き、一般に純アルミニウム線よりも好まれます。これは、細いサイズへの引き抜きが容易で、完成したデバイスでの引張試験強度が高いためです。純アルミニウムと 0.5%マグネシウムアルミニウムは、 100 マイクロメートル (0.0039 インチ) を超えるサイズで最も一般的に使用されます。

半導体製造におけるオールアルミニウムシステムにより、純金ボンディングワイヤに時々伴う「紫色の疫病」(脆い金アルミニウム金属間化合物) が排除されます。アルミニウムは、特に熱超音波ボンディングに適しています。

高品質の接合を高速生産で確実に得るために、1%シリコンアルミニウムワイヤの製造には特別な制御が使用されています。このタイプの高品質接合ワイヤの最も重要な特性の 1 つは、合金システムの均質性です。均質性は製造プロセス中に特に注意を払われます。1% シリコンアルミニウムワイヤの完成ロットの合金構造の顕微鏡検査が定期的に行われます。また、処理は、表面の清浄度と仕上げが最高レベルになり、完全に引っ掛かりのない巻き取りを可能にする条件下で行われます。

愛着テクニック

プリント基板上の金電極とサファイア基板上の金電極間のアルミニウム線の超音波ウェッジ接合のデモンストレーション（逆接合順序）

ワイヤボンディングの主なクラス:

ボールボンディングは通常、金線と銅線に限定され、通常は熱が必要です。ウェッジボンディングの場合、熱が必要なのは金線のみです。ウェッジボンディングでは、パワーエレクトロニクスアプリケーションに大径のワイヤまたはワイヤリボンを使用できます。ボールボンディングは小径のワイヤに限定され、相互接続アプリケーションに適しています。

どちらのタイプのワイヤボンディングでも、ワイヤは、下向きの圧力、超音波エネルギー、場合によっては熱を組み合わせて両端で接続され、溶接されます。熱は金属を柔らかくするために使用されます。ワイヤボンディングの信頼性と強度を最大限に高めるために、温度と超音波エネルギーを適切に組み合わせます。熱と超音波エネルギーを使用する場合、このプロセスはサーモソニックボンディングと呼ばれます。

ウェッジボンディングでは、最初のボンドに合わせてワイヤを直線に引かなければなりません。ツールの調整に時間がかかるため、プロセスが遅くなります。一方、ボールボンディングでは、ボール形状の最初のボンドが作成され、ワイヤが上部に突き出ているため、方向性がありません。そのため、ワイヤをどの方向にも引くことができ、プロセスが速くなります。

コンプライアントボンディング^[12]は、コンプライアントまたはインデント可能なアルミニウムテープを通して熱と圧力を伝達するため、金線と電気鋳造されたビームリードをシリコン集積回路（ビームリード集積回路として知られる）に接合する場合に適用できます。

製造と信頼性の課題

ワイヤボンドの製造と信頼性に関しては、さまざまな課題があります。これらの課題は、材料システム、ボンディングパラメータ、使用環境などのいくつかのパラメータの関数になる傾向があります。アルミニウム- アルミニウム (Al-Al)、金- アルミニウム (Au-Al)、銅- アルミニウム (Cu-Al)などの異なるワイヤボンド -ボンドパッド金属システムには、異なる製造パラメータが必要であり、同じ使用環境でも動作が異なります。

ワイヤーボンド製造

さまざまな金属システムの特性評価、重要な製造パラメータの検討、ワイヤボンディングで発生する一般的な信頼性の問題の特定など、多くの作業が行われてきました。^[13]^[14]材料の選択に関しては、アプリケーションと使用環境が金属システムを決定します。決定を下す際には、多くの場合、電気的特性、機械的特性、およびコストが考慮されます。たとえば、宇宙用途の高電流デバイスには、気密封止されたセラミックパッケージ内の大径アルミニウムワイヤボンドが必要になる場合があります。コストが大きな制約である場合は、金ワイヤボンドを避けることが必要になる場合があります。最近では、自動車用途における銅ワイヤボンディングを検討する作業が行われています。^[15]これはほんの一例で、さまざまなアプリケーションでどの材料システムが最も効果的かをレビューおよびテストする膨大な作業があります。

製造の観点から見ると、ボンディングパラメータはボンディングの形成と品質に重要な役割を果たします。ボンディング力、超音波エネルギー、温度、ループ形状などのパラメータは、ボンディングの品質に大きな影響を与える可能性があります。ワイヤボンディングにはさまざまな手法 (サーモソニックボンディング、超音波ボンディング、熱圧着ボンディング) とワイヤボンディングの種類 (ボールボンディング、ウェッジボンディング) があり、これらは製造上の欠陥や信頼性の問題に対する感受性に影響します。特定の材料とワイヤ径は、ファインピッチまたは複雑なレイアウトに適しています。ボンディングパッドも重要な役割を果たします。メタライゼーションとバリア層のスタックアップがボンディングの形成に影響を与えるためです。

ボンド品質の低さと製造欠陥に起因する一般的な故障モードには、ボールボンドネックの破損、ヒールの亀裂 (ウェッジボンド)、パッドのリフトオフ、パッドの剥離、過剰圧縮、不適切な金属間化合物の形成などがあります。ワイヤボンドの引張/せん断テスト、非破壊テスト、破壊的物理分析 (DPA)を組み合わせて使用することで、製造と品質の問題をスクリーニングできます。

ワイヤボンドの信頼性

ワイヤボンドの製造ではボンド品質に重点が置かれる傾向がありますが、ワイヤボンドの信頼性に関連する摩耗メカニズムが考慮されないことがよくあります。この場合、アプリケーションと使用環境を理解することで、信頼性の問題を防ぐことができます。ワイヤボンドの故障につながる環境の一般的な例としては、高温、高湿度、温度サイクルなどがあります。^[16]

高温下では、金属間化合物 (IMC)が過剰に成長して脆い破断点が生じる可能性があります。さまざまな金属システムにおける金属間化合物の形成と経年劣化の特性を明らかにするために、多くの研究が行われてきました。ワイヤボンドとボンドパッドが Al-Al などの同じ材料である金属システムでは、これは問題になりません。異種金属システムでは、これが懸念事項になります。最もよく知られている例の 1 つは、紫色の斑点などの金アルミニウム IMCで形成される脆い金属間化合物です。さらに、カーケンドールボイドやホルスティングボイドなどの拡散関連の問題も、ワイヤボンドの障害につながる可能性があります。

高温多湿の環境では、腐食が懸念されることがあります。これは Au-Al 金属システムで最も一般的で、ガルバニック腐食によって引き起こされます。塩素などのハロゲン化物が存在すると、この現象が加速される可能性があります。この Au-Al 腐食は、多くの場合、温度と湿度に関するペックの法則によって特徴付けられます。これは他の金属システムではそれほど一般的ではありません。

温度サイクル下では、エポキシ成形化合物 (EMC)、リードフレーム、ダイ、ダイ接着剤、およびワイヤボンド間の熱膨張係数 (CTE) の不一致の結果として、ワイヤボンドに熱機械的応力が発生します。これにより、ワイヤボンドのせん断応力または引張応力による低サイクル疲労が発生します。このような条件下でのワイヤボンドの疲労寿命を予測するために、さまざまな疲労モデルが使用されてきました。

使用環境と金属システムを適切に理解することが、ワイヤボンドの信頼性を高めるための最も重要な要素となることがよくあります。

テスト

MIL-STD-883、ASTM F459-13、JESD22-B116などのワイヤボンド引張試験およびせん断試験技術はいくつかありますが、^[17]^[18]^[19]^[20]これらは信頼性よりも製造品質に適用される傾向があります。これらは多くの場合、ピーク力と破損位置が重要な出力となる単調な過応力技術です。この場合、損傷は塑性によって支配され、環境条件下で見られる可能性のある摩耗メカニズムを反映していません。

ワイヤー引っ張り試験では、ワイヤーの下に上向きの力を加え、ワイヤーを基板またはダイから効果的に引き離します。^[21]この試験の目的は、MIL-STD-883 2011.9 で説明されているように、「接着強度を測定し、接着強度分布を評価し、指定された接着強度要件への準拠を判断すること」です。ワイヤーは破壊されるまで引っ張ることができますが、ワイヤーが特定の力に耐えられるかどうかをテストする非破壊的なバリエーションもあります。非破壊試験方法は通常、安全性が重要で、高品質で高価な製品の 100% テストに使用され、テストされた許容可能なワイヤー接続への損傷を回避します。

ワイヤープルという用語は通常、ボンドテスターのプルセンサーに取り付けられたフックでワイヤーを引っ張る動作を指します。ただし、特定の故障モードを促進するために、ワイヤーを切断してから、やはりボンドテスターのプルセンサーに取り付けられたピンセットで引っ張ることもできます。通常、直径 75 μm (3 ミル) までのワイヤーは細いワイヤーとして分類されます。このサイズを超えると、太いワイヤーのテストと呼ばれます。

参照

参考文献

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リソース

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