ダイボンディングとワイヤボンディング：それぞれのプロセスが何をするのか

ウェハから取り出したばかりの半導体ダイには、リード線もパッケージもなく、何にも接続する手段がありません。これを機能するデバイスにするには、2つの異なる工程が必要です。これらの工程は、日常会話ではしばしばまとめて扱われますが、目的は全く異なります。ダイボンディングは、チップをキャリアに固定する工程です。ワイヤボンディングは、チップの表面から外部へと電気的な接続を行う工程です。一方の工程が完了するまではもう一方の工程は開始されず、どちらも他方の欠点を補うことはできません。

混乱の原因

どちらの工程も同じ包装ライン内で行われ、多くの場合、数メートル以内の距離で行われます。どちらも精密な位置決めと熱エネルギーを必要とします。そして、どちらも完成品からは見えません。こうした表面的な類似性から、多くの人がこれらを同じ工程のバリエーションだと考えがちですが、そうではありません。

両者を区別する最も簡単な方法は、ダイボンディングは位置と熱に関わるのに対し、ワイヤボンディングは電流と信号に関わるという点です。

ダイボンディング：チップを所定の位置に固定する

ダイボンディング（ダイアタッチとも呼ばれる）は、ピックアンドプレース動作から始まります。真空ノズルがウェハフィルムから個々のダイを持ち上げます。ビジョンシステムが、リードフレームまたは基板上の目標位置にダイを位置合わせします。ノズルが下降し、ダイを一定量の接着剤に押し付けるか、加熱された金属化表面に押し付けます。

その後、金型を所定の位置に固定する方法は、選択された材料によって決まる。

銀入りエポキシ樹脂は、ほとんどの民生用および産業用チップにおいて依然として主力材料となっている。中程度の温度で硬化し、高速塗布にも耐え、熱伝導性と電気伝導性も主流の用途に十分適している。

共晶接合は異なる経路をたどります。金-シリコン系または金-スズ系では、280℃以上の温度で合金接合が形成されます。この接合部の熱抵抗はエポキシ樹脂よりも数倍低いため、コストが高くプロセスウィンドウが厳しいにもかかわらず、パワートランジスタ、レーザーダイオード、高出力LEDなどに使用されています。

焼結銀は近年、炭化ケイ素や窒化ガリウムを用いたデバイスにおいて、その地位を確立しつつある。銀粒子は、銀の融点をはるかに下回る温度で、多孔質でありながら高い導電性を持つ層へと融合する。この接合部は、はんだ付けでは破壊されてしまうような高温にも耐えることができるため、車載電子機器や産業用モーター駆動装置への応用が期待されている。

ダイアタッチ層の厚さは通常わずか数マイクロメートルから数十マイクロメートルです。この層は非常に薄いにもかかわらず、主要な熱経路に直接位置します。あらゆる空隙、剥離箇所、亀裂が熱抵抗を増加させます。空隙率が50%のダイアタッチ層は、同じ電気負荷条件下で空隙のない接合部よりも接合部の温度を数十度上昇させる可能性があります。下流側のワイヤボンディングをどんなに巧妙にしても、この問題を解決することはできません。

ワイヤボンディング：電気ブリッジの構築

ダイの固定が完了したら、ワイヤボンディングの工程に移ります。ここでの目的は、チップ上面のアルミパッドを、パッケージまたは基板上の対応する端子に接続することです。

金線は、ほとんどの微細ピッチ配線において依然として標準的な材料です。火花によって金線の先端が溶融して小さな球状になり、加熱されたダイパッドに押し付けられ、同時に超音波エネルギーが加えられます。金とアルミニウムの原子は界面で互いに拡散し、金属間結合を形成します。その後、毛細管が金線をパッケージ端子まで運び、2回目の結合を形成して金線を切断します。

コスト重視の大量生産製品において、銅線は金に取って代わる存在となっている。銅は金よりも熱伝導率と電気伝導率に優れ、価格もはるかに安い。しかし、その代償として硬度が低い。銅はより強い接合力を必要とするため、繊細なパッド構造に亀裂が生じる可能性があり、また酸化しやすい性質を持つため、接合環境には酸素を遮断する必要がある。

アルミニウム線は、電力機器や高周波回路に使用されます。アルミニウム線は確実に球状に成形することができないため、代わりにウェッジボンディングが用いられます。ウェッジボンディングでは、ワイヤーを圧力と超音波振動によってパッド上に平らに押し付けることで、幅広で薄型の接合部を形成します。ウェッジボンディングは、ボールボンディングよりも高い電流に耐えることができ、ダイ表面により近い位置に配置されます。

ワイヤー自体は、設計上、非常に脆弱です。直径は、微細ピッチ信号線では15μm、電源相互接続線では76μm以上と幅広くなっています。人間の髪の毛の太さは約70μmです。これらのフィラメントは、デバイスの全電気寿命を担いながら、パッドとの接触による繰り返しの膨張と収縮という熱サイクルに耐えなければなりません。

重要な違い

この表は要点を押さえているが、いくつか補足すべき点がある。

ダイボンディングの不具合は徐々に進行する傾向があります。硬化中に発生したボイドは、すぐに問題を引き起こすとは限りません。数百回、あるいは数千回の熱サイクルを経て、そのボイドは成長し、隣接するボイドと融合し、徐々に熱伝導経路を遮断していきます。デバイスは突然故障するのではなく、発熱が速くなり、劣化が加速し、最終的にはある閾値を超えてしまうのです。

ワイヤボンディングの故障は、多くの場合、突然発生します。ボールボンディングの最も狭い断面を貫通するネッククラックは、接続を瞬時に切断します。ウェッジボンディングのヒールクラックも同様です。デバイスは一瞬前まで正常に動作していたのに、次の瞬間には故障してしまうのです。

この違いが、信頼性試験の設計方法に影響を与えます。ダイアタッチの品質は、熱サイクル試験、電力サイクル試験、およびダイせん断試験によって評価されます。これらの試験では、ダイが外れる前に接合部がどれだけの力に耐えられるかを測定します。ワイヤボンディングの品質は、個々の接合部の強度を測定する引張試験とボールせん断試験、および金属間化合物の成長を促進するための高温保管によって評価されます。

なぜこのシーケンスは逆転できないのか

の ボンダー チップを配置する。ワイヤーボンダーがチップを見つける。この順序は好みではなく、物理的な要件である。

ワイヤボンダーは、パターン認識を用いてダイパッドの位置を特定します。ダイが固定されていない場合、ボンディング力によって位置がずれてしまい、ビジョンシステムが基準位置を見失います。ボンディング中にわずか数マイクロメートルでもずれると、位置ずれの原因となります。

ダイの配置精度は、ワイヤボンディングの品質にも大きく影響します。ダイが中心からずれていると、ワイヤボンダーがパッケージ端子に到達するまでの距離が長くなります。ワイヤが長くなると、たるみやすくなり、共振周波数が低くなり、成形時にずれが生じやすくなります。極端な場合、ずれがボンダーの認識範囲を超え、パッドが検出できなくなることもあります。

熱的現実：ダイアタッチが限界を定める

パワーエレクトロニクスエンジニアは、ダイボンディング材料の選定やボイド含有量の最小化に多大な労力を費やします。一方、ワイヤボンディングの熱性能については、それほど時間をかけて心配する必要はありません。それにはもっともな理由があります。

ダイアタッチ層はチップの裏面全体を覆っています。接合部からダイ全体に熱が広がり、この広い界面を通って基板に伝わります。一方、ワイヤボンディングは小さなパッドでのみチップに接触します。その断面積はダイアタッチ面積のごく一部に過ぎません。そのため、伝わる熱量もごくわずかです。

つまり、ワイヤボンディングが優れていてもダイアタッチが不十分なデバイスは、高温になるということです。ワイヤボンディングが平凡でもダイアタッチが優れたデバイスは、ワイヤボンディングに亀裂が入り回路が開くまでは低温で動作します。この2つのプロセスは、異なる故障発生時期を左右します。ダイアタッチはデバイスが熱制限内に留まる時間を、ワイヤボンディングは電気経路が損傷なく維持される時間をそれぞれ制御します。

故障解析における実践的な意義

パッケージ化されたデバイスが現場から戻ってきた場合、障害の兆候は原因となったプロセスを特定する。

過熱、経年劣化による性能低下、または基板から物理的に剥離したチップは、ダイボンディングに支障をきたす可能性があります。接着層が剥離または空隙を起こし、熱伝導経路が劣化していると考えられます。

信号も電流も流れず、回路が断線するなど、デバイスが突然動作しなくなった場合は、ワイヤボンディングに問題があると考えられます。1つ以上のボンディングが破損し、電気的な経路が断たれているのです。

この2つを混同すると、無駄な労力を費やすことになります。ワイヤボンディングのパラメータを変更しても、剥離したダイアタッチは修復されません。ダイアタッチをリフローしても、ワイヤボンディングのネック部の亀裂は修復されません。どの工程を調査すべきかは、故障モードによって判断する必要があります。

パッケージデザインにとってこれは何を意味するのか

これら2つの工程における役割分担を理解しているデザイナーは、より良いトレードオフを行うことができる。

熱管理がボトルネックとなっている場合、ダイアタッチ材とボイド制御に最も注意を払う必要がある。エポキシ樹脂から焼結銀または共晶はんだにアップグレードすることで、熱抵抗を大幅に低減できる。

電気的性能や高周波特性が制約となる場合、ワイヤボンディングの長さ、ループの高さ、および材料の選択が最重要事項となる。ループを短く低くすることで、インダクタンスとクロストークを低減できる。

熱サイクル下での信頼性が懸念される場合、どちらのプロセスも重要ですが、故障する時間スケールは異なります。ダイアタッチの劣化は徐々に進行し、予測可能です。一方、ワイヤボンディングの故障は突然発生し、壊滅的な結果を招く可能性があります。設計マージンは、これら両方のパターンを考慮する必要があります。

よくある質問

チップはダイボンディングなしで機能できるのか？

いいえ。電気接続を行う前に、ダイを機械的に固定する必要があります。ダイボンディングを行わないと、ワイヤボンディング中にチップが動いてしまい、正確なパッド位置決めが不可能になります。また、ダイボンディングはチップから熱を放出するための主要な経路となります。

ダイボンディングの後には、必ずワイヤボンディングが必要ですか？

必ずしもそうとは限りません。フリップチップパッケージでは、ダイが下向きに配置されるため、ダイ表面の突起が基板パッドと直接接触します。これにより、ワイヤボンディングは完全に不要になります。ただし、フリップチップにおけるダイボンディング工程では、機械的な固定と電気的な接続を同時に行う必要があるため、配置精度に対する要求が非常に高くなります。

どちらのプロセスがデバイスの寿命に大きな影響を与えますか？

どちらも寿命に影響を与えますが、そのメカニズムは異なります。ダイボンディング不良は接合部温度の上昇を招き、既知のほぼすべての半導体劣化メカニズムを加速させます。一方、ワイヤボンディング不良は断線を引き起こし、デバイスの寿命を即座に縮めます。実際には、フィールド返品ではワイヤボンディングの不具合の方が多く見られますが、ダイアタッチの劣化がワイヤボンディングの疲労を加速させる要因となる場合も少なくありません。

なぜ銅線は金線よりも、より厳密な工程管理を必要とするのでしょうか？

銅は金よりも硬いため、より高い接合力が必要となります。その接合力は、脆弱なパッド構造や下地の誘電体層に亀裂を生じさせる可能性があります。また、銅は酸化しやすいため、ワイヤ表面に酸化物が形成されないよう、接合雰囲気の制御が必要です。金にはこれらの問題がないため、繊細なデバイスや高い信頼性が求められるデバイスには依然として金が好まれています。

ダイアタッチのボイドは熱抵抗にどのような影響を与えますか？

空隙は、熱伝導性物質を空気または真空に置き換えたものであり、どちらも優れた断熱材です。小さく散在する空隙は、その体積比率にほぼ比例して熱抵抗を増加させます。チップの活性領域の下に大きな連続した空隙が存在すると、ホットスポットが発生し、理論上の平均熱抵抗が許容範囲内であっても、接合部温度が安全温度を超える可能性があります。