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ワイヤボンディングは、半導体デバイス製造時に、集積回路（IC）や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）同士を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、柔軟性に優れた相互接続技術と考えられており、半導体パッケージの大部分の組み立てに使用されています。
ボンディングワイヤは通常、以下のいずれかの材料で構成されています。
電線の直径は10μm未満から始まり、高出力用途では数百マイクロメートルに達することもある。
ワイヤボンディング業界は金から銅への移行を進めている。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]この変化は、金価格の高騰と、比較的安定していてはるかに低い銅価格によって引き起こされた。銅は金よりも熱伝導率と電気伝導率が高いものの、以前は硬くて腐食しやすいことから信頼性が低いと考えられていた。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る。[ 4 ]
銅線は、多くの半導体およびマイクロエレクトロニクス用途において、ワイヤボンディング相互接続の好ましい材料の 1 つとなっています。銅は、 10 マイクロメートル (0.00039インチ)から75 マイクロメートル (0.003インチ)までのサイズのファインワイヤボールボンディングに使用されます。[ 5 ]銅線は、金よりも材料コストが高いにもかかわらず、金と同じ性能を発揮しながらより細い直径で使用できるという利点があります。より細い直径が可能なのは、銅の電気伝導率が高いためです。銅ワイヤボンディングは、金ワイヤボンディングと同等かそれ以上の信頼性があります。[ 6 ]
最大500 マイクロメートル (0.02インチ) [ 7 ]の銅線は、ウェッジ ボンディングに成功します。大径の銅線は、高い電流容量が必要な場合や、複雑な形状に問題がある場合に、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、大径の銅線を使用して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管理する必要があるという課題があります。超音波接合中に使用する電力は高くする必要があり[ 8 ]、銅は溶融電流が高いため、電流容量も高くなります[ 9 ] 。酸化物の形成はこの材料に固有のものであるため、保管と保存期間は考慮しなければならない問題です[ 6 ] 。銅線を保護し、保存期間を長くするためには、特別な包装が必要です。パラジウム被覆銅線は一般的な代替品であり、純銅よりも硬度が高く、価格も高いものの、金よりは安いものの、腐食に対する耐性が著しく高いことが示されています。ワイヤボンディングの製造中、銅線とそのメッキされた種類は、腐食を防ぐために成形ガス[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の1つは、高純度[5N+]の種類を使用することです[ 4 ] 。
長期的な腐食の影響（Cu2Si）やその他の安定性の問題により、自動車用途で使用する際の品質要件が厳しくなった。[ 10 ]
ベリリウムなどの元素を一定量添加した純金線は、通常、ボールボンディングに使用されます。このプロセスでは、熱、圧力、超音波エネルギーを用いて接合する2つの材料を接合します。これは熱超音波ボンディングと呼ばれます。熱超音波ボンディングで最も一般的な方法は、まずチップにボールボンディングを行い、次に基板にステッチボンディングを行うことです。処理中の厳密な制御により、ループ特性が向上し、垂れ下がりが防止されます。
接合部のサイズ、接着強度、および導電率の要件によって、特定のワイヤボンディング用途に最適なワイヤサイズが決定されます。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）以上の金線を製造しています。金線の直径の製造公差は±3%です。
合金アルミニウム線は、細径化が容易で、完成品の引張強度が高いため、高電流デバイスを除き、一般的に純アルミニウム線よりも好まれます。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）より大きい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は、純金ボンディングワイヤで時折発生する「紫色の病害」（脆い金-アルミニウム金属間化合物）を排除します。アルミニウムは特に超音波ボンディングに適しています。
1%シリコンアルミニウムワイヤの製造においては、高速生産でも高品質な接合部が得られるよう、特別な管理体制が採用されています。この種の高品位接合ワイヤの最も重要な特性の一つは、合金系の均質性です。製造工程では、均質性に特に注意が払われています。完成した1%シリコンアルミニウムワイヤの合金構造は、定期的に顕微鏡検査によって確認されます。また、表面の清浄度と滑らかな仕上がりを最大限に高め、引っ掛かりのないスムーズな巻き取りを可能にする条件下で加工が行われます。
ワイヤボンディングの主な種類：
ボールボンディングは通常、金線と銅線に限定され、加熱が必要です。ウェッジボンディングでは、金線のみ加熱が必要です。ウェッジボンディングは、パワーエレクトロニクス用途向けに大径線またはワイヤーリボンを使用できます。ボールボンディングは小径線に限定され、相互接続用途に適しています。
どちらのタイプのワイヤボンディングでも、ワイヤの両端は下向きの圧力、超音波エネルギー、場合によっては熱を組み合わせて接合されます。熱は金属を軟化させ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の適切な組み合わせが使用されます。熱と超音波エネルギーの両方が使用される場合、そのプロセスは熱超音波ボンディングと呼ばれます。
ウェッジボンディングでは、最初のボンディングに合わせてワイヤを直線状に引き伸ばす必要があります。そのため、ツールの位置合わせに時間がかかり、処理速度が低下します。一方、ボールボンディングでは、最初のボンディングはボール状で行われ、ワイヤは上部から突き出ているため、方向性の制約がありません。したがって、ワイヤをどの方向にも引き伸ばすことができ、処理速度が向上します。
コンプライアントボンディング[ 11 ]は、柔軟性のあるまたは凹みのあるアルミニウムテープを通して熱と圧力を伝達するため、金線とシリコン集積回路に電鋳されたビームリード（ビームリード集積回路として知られる）のボンディングに適用できます。
ワイヤボンディングの製造と信頼性に関しては、多くの課題が存在します。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、複数のパラメータによって左右される傾向があります。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、異なるワイヤボンディング-ボンドパッド金属システムでは、それぞれ異なる製造パラメータが必要となり、同じ使用環境下でも異なる挙動を示します。
さまざまな金属システムを特性評価し、重要な製造パラメータをレビューし、ワイヤボンディングで発生する典型的な信頼性の問題を特定するために、多くの作業が行われてきました。[ 12 ] [ 13 ]材料の選択に関しては、用途と使用環境によって金属システムが決まります。多くの場合、決定を下す際に、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では、気密に密封されたセラミックパッケージで大径のアルミニウムワイヤボンディング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、金ワイヤボンディングを避ける必要があるかもしれません。自動車用途の銅ワイヤボンディングに関する最近の研究がいくつかあります。[ 14 ]これはほんの一例であり、さまざまな用途でどの材料システムが最も効果的かを検討およびテストする膨大な量の作業があります。
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技術には、サーモソニックボンディング、超音波ボンディング、熱圧縮ボンディングなど、さまざまな種類があり、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）によって、製造上の欠陥や信頼性の問題に対する感受性が左右されます。特定の材料やワイヤ径は、ファインピッチや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、メタライゼーション層とバリア層の積層構造がボンディングの形成に影響を与えます。
接着品質の不良や製造上の欠陥に起因する典型的な故障モードには、ボールボンドネック部の破断、ヒールクラック（ウェッジボンド）、パッドリフトオフ、パッド剥離、過圧縮、不適切な金属間化合物形成などがあります。ワイヤボンドの引張/せん断試験、非破壊検査、および破壊物理分析（DPA）を組み合わせることで、製造および品質上の問題をスクリーニングできます。
ワイヤボンド製造ではボンド品質に重点が置かれる傾向があるが、ワイヤボンドの信頼性に関連する摩耗メカニズムは考慮されないことが多い。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る。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挙げられる。[ 15 ]
高温下では、過剰な金属間化合物 (IMC) の成長により、脆い破壊点が生じる可能性があります。さまざまな金属系における金属間化合物の形成と経年変化を特徴付け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同じ材料である金属系 (Al-Al など) では、これは問題になりません。これは、異種金属系では問題になります。最もよく知られている例の 1 つは、金-アルミニウム IMCで形成される紫色の腐食などの脆い金属間化合物です。さらに、カーケンドール空隙やホルスティング空隙などの拡散関連の問題も、ワイヤボンドの故障につながる可能性があります。
高温多湿環境下では、腐食が懸念されることがあります。これは金-アルミニウム合金系で最もよく見られ、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の存在は、この腐食を加速させる可能性があります。この金-アルミニウム合金の腐食は、温度と湿度に関してペックの法則で特徴づけられることが多いです。他の金属系では、このような腐食はあまり見られません。
温度サイクル下では、エポキシ成形コンパウンド（EMC）、リードフレーム、ダイ、ダイ接着剤、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、ワイヤボンド内のせん断応力または引張応力により、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、パリの法則などのさまざまな疲労モデルが使用されています。[ 16 ]疲労モデルは、不確実性を考慮し、低温での予測をより一般化するために、物理情報に基づくマルコフ連鎖などのデータ駆動型アプローチと組み合わせることができます。[ 17 ]
ワイヤボンディングの信頼性を向上させる上で、使用環境と金属システムを適切に理解することが最も重要な要素となる場合が多い。
MIL-STD-883、ASTM F459-13、JESD22-B116などのワイヤボンディング引張およびせん断試験技術はいくつかありますが、[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]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、ピーク力と破壊位置が重要な出力となる単調過応力技術です。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。
ワイヤ引張試験では、ワイヤの下に上向きの力を加え、ワイヤを基板またはダイから効果的に引き離します。[ 22 ]この試験の目的は、MIL-STD-883 2011.9 に記載されているとおり、「接合強度を測定し、接合強度分布を評価し、または指定された接合強度要件への適合性を判断すること」です。ワイヤは破壊されるまで引っ張られますが、ワイヤ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方法もあります。非破壊試験方法は通常、安全性が重要で、高品質かつ高価な製品の 100% 試験に使用され、試験対象の許容ワイヤ接合に損傷を与えることを回避します。
ワイヤ引き抜きとは、通常、ボンドテスターの引き抜きセンサーに取り付けられたフックでワイヤを引っ張る動作を指します。ただし、特定の故障モードを誘発するために、ワイヤを切断してから、同じくボンドテスターの引き抜き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75μm（3ミル）までのワイヤは細線に分類されます。それ以上のサイズになると、太線試験と呼ばれます。