半導体後工程：ワイヤーボンディング　ワイヤーボンディングとは何か？どのような装置が使用されるのか？

この記事で分かること

ワイヤーボンディング

　チップの微細化による性能向上の限界が見え始めていることから、半導体製造において前工程から後工程へと性能向上開発の主戦場が移り始めています。

　複数のチップを効率的に組み合わせて性能を引き出す「後工程」の重要性が増しています。

　前回はフリップチップに関する記事でしたが、今回はワイヤーボンディングに関する記事となります。

ワイヤーボンディングとは何か

　ワイヤーボンディングは、集積回路（IC）チップと外部のリードフレームやパッケージを電気的に接続する技術です。ICチップの微細な電極（パッド）とパッケージ側の端子（ピン）を、非常に細い金属ワイヤーでつなぎます。この技術は、半導体パッケージングにおいて最も一般的な接続方法の一つです。

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主なワイヤーボンディングの種類

ワイヤーボンディングには、主に以下の2つの方法があります。

1. 熱圧着（Thermo-compression）ボンディング

• 特徴: 加熱と圧力を同時に加えてワイヤーを接合します。金（Au）やアルミニウム（Al）のワイヤーが使われます。
• プロセス: ボンディングツールがワイヤーをパッドに押し付け、熱と圧力を加えることで原子レベルで接合します。

2. 超音波ボンディング

• 特徴: 超音波振動を利用してワイヤーとパッドを接合します。通常、アルミニウム（Al）ワイヤーが使われます。
• プロセス: ワイヤーがセットされたボンディングツールがパッドに接触し、超音波振動を加えることで、表面の酸化膜を破壊し、金属同士の接合を促進します。

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使用されるワイヤーの材質

　ワイヤーボンディングには、主に以下の金属ワイヤーが使用されます。

• 金（Au）ワイヤー: 高い信頼性と電気伝導性を持ち、熱圧着ボンディングによく使われます。
• 銅（Cu）ワイヤー: 金よりも安価で、電気抵抗が低いため、近年使用が増えています。
• アルミニウム（Al）ワイヤー: 超音波ボンディングによく使われ、比較的安価です。

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応用例と重要性

　ワイヤーボンディングは、スマートフォン、パソコン、自動車など、あらゆる電子機器に搭載されるICチップの製造に不可欠な工程です。

　この技術により、チップの電気信号が外部の回路に伝わり、デバイスとして機能します。ワイヤーボンディングの信頼性は、製品全体の性能と寿命に直接影響します。

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ワイヤーボンディングの課題

• 微細化: チップの高性能化に伴い、パッド間の距離が狭くなり、より細く、精密なワイヤーボンディングが求められています。
• 熱管理: 大電流が流れるワイヤーは発熱するため、熱管理が重要になります。
• 歩留まり: 非常に繊細な工程であるため、ワイヤーの断線やショートを防ぐための高い技術と品質管理が必要です。

　これらの課題を解決するため、ワイヤーボンディング装置の精度向上や、新たなボンディング技術の開発が進められています。

どのような装置で行われるのか

　ワイヤーボンディングは、ワイヤーボンダ（Wire Bonder）と呼ばれる専用の自動機で行われます。この装置は、ICチップと基板を精密に電気的に接続するために、高度なロボット工学、画像認識技術、そして精密な制御システムが組み合わされています。

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ワイヤーボンダの主要な構成要素

1. ボンディングヘッド（Bonding Head）: 実際にワイヤーを接合する部分です。先端には、ワイヤーを保持・供給する**キャピラリー（Capillary）やウェッジ（Wedge）**と呼ばれるツールが取り付けられます。
2. ワイヤー供給システム: ワイヤーが巻かれたリールから、ボンディングヘッドにワイヤーを正確に供給します。
3. 画像認識システム（Vision System）: 高解像度カメラと画像処理ソフトウェアを用いて、ICチップ上のパッドや基板上の接合位置を正確に特定し、位置を自動で補正します。これにより、ミクロン単位の精度で接合が可能です。
4. ステージ（Stage）: ICチップや基板を固定し、ボンディングヘッドの下で正確に移動させます。
5. 制御システム: ボンディングに必要な力（圧力）、熱、超音波エネルギー、そしてボンディングヘッドの動きを精密に制御します。

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ボンディングプロセスの仕組み　

　ワイヤーボンダは、これらの要素を連携させて一連の自動プロセスを実行します。

1. 位置決め: 画像認識システムがICチップ上のパッドと基板上の接合位置を正確に認識します。
2. 第一ボンディング: ボンディングヘッドが最初の接合点（通常はICチップのパッド）に移動し、ワイヤーの先端を接合します。この際、熱、圧力、超音波エネルギーが複合的に使用されます。
3. ループ形成: 最初の接合後、ボンディングヘッドがワイヤーを適切な高さと形状でループさせながら、次の接合点に移動します。
4. 第二ボンディング: 2つ目の接合点（通常は基板のリードフレーム）でワイヤーを接合します。
5. 切断: 2つ目の接合後、ワイヤーが切断され、次のボンディングプロセスの準備が整います。

　この一連の動作は非常に高速で、最新の装置では1秒間に数十本ものワイヤーをボンディングできます。このように、ワイヤーボンダは高い生産性と精度を両立させています。

ワイヤーボンダの有力メーカーは

　ワイヤーボンダの世界的な有力メーカーには、以下のような企業が挙げられます。

• Kulicke & Soffa (K&S): 長年にわたりワイヤーボンダ市場を牽引してきた、世界最大手の一つです。特に半導体製造向けの自動ワイヤーボンダで高いシェアを持っています。
• Hesse Mechatronics: ドイツのメーカーで、特にパワーエレクトロニクス分野向けのヘビーワイヤー（太線）ボンディングで高い評価を得ています。
• Palomar Technologies: 高精度なマイクロエレクトロニクス実装装置に特化しており、ワイヤーボンダだけでなく、ダイボンディング装置なども手掛けています。

日本の有力メーカー

　日本国内にも、高い技術力を持つ有力メーカーが多数存在します。

• 株式会社カイジョー: 超音波技術を応用したワイヤーボンディング装置で長い歴史と実績を持ち、特にLEDやパワーデバイスの分野で強みを発揮しています。
• ヤマハロボティクスホールディングス株式会社（旧・新川）: かつてボンディング装置メーカーとして知られた新川を買収し、ボンディング装置事業を展開しています。高速・高精度な装置で知られています。
• 超音波工業株式会社: その名の通り、超音波技術に特化しており、ワイヤーボンダをはじめとする超音波を利用した接合装置を製造しています。

　これらのメーカーは、それぞれ得意な分野や製品ラインナップを持っており、半導体産業の様々なニーズに応えています。

ワイヤーボンディングとフリップチップの違いは何か

　ワイヤーボンディングとフリップチップは、半導体チップと基板を接続する代表的な2つの技術であり、それぞれ異なる特徴を持っています。

ワイヤーボンディング

　ワイヤーボンディングは、チップの能動面を上向きにし、極めて細い金属ワイヤーでチップの電極と基板のパッドを接続します。

• 利点:
  • コスト効率: 設備が比較的安価で、技術も成熟しているため、大量生産に適しています。
  • 柔軟性: チップと基板の位置に多少のズレがあっても対応できます。
  • 汎用性: 多様なパッケージや基板に対応可能です。
• 欠点:
  • 電気特性: ワイヤーが長いため、電気抵抗やインダクタンスが増加し、高周波信号の伝送に不向きな場合があります。
  • 小型化: チップの周囲にワイヤーを接続するスペースが必要なため、小型化に限界があります。

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フリップチップ

　フリップチップは、チップの能動面を下向きにし、チップ上のバンプ（突起電極）を基板に直接接合する技術です。ワイヤーを使用しません。

• 利点:
  • 電気特性: 接続距離が非常に短いため、抵抗やインダクタンスが低く、信号の高速化や低消費電力化に優れています。
  • 高密度実装: チップ全面の電極を利用できるため、端子数を増やしやすく、高密度な実装が可能です。
  • 放熱性: チップと基板が直接接触するため、熱を効率的に外部に逃がすことができます。
• 欠点:
  • コストと複雑性: 製造プロセスが複雑で、高精度な装置や特殊な材料が必要なため、コストが高くなる傾向があります。
  • 位置合わせ: 非常に精密な位置合わせが求められます。

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用途

　ワイヤーボンディングは、LEDや民生機器など、比較的低コストや標準的な性能が求められる用途で広く使用されています。

　一方、フリップチップは、高性能なCPUやGPU、モバイル機器のプロセッサなど、高速・高密度・放熱性が重要なデバイスに不可欠な技術となっています。