ワイヤボンディングは、上向きのダイ上のパッドを細いワイヤでリードフレームまたは基板に接続します。フリップチップは、下向きのダイをバンプまたはピラーで接続します。どちらの方法を選択するかによって、電気配線、パッケージ構造、組み立て工程、コストに影響が出ますが、どちらの方法もすべてのデバイスにとって最適な選択肢ではありません。
実務上の問題は、特定の相互接続部品が、許容可能な製造コストで製品の電気的、機械的、および信頼性に関する要件を満たすことができるかどうかである。その決定は、ダイとパッケージの設計から始まる。
図1．典型的なワイヤボンディングおよびフリップチップ構造。断面図は簡略化されており、封止層は省略されている。
フリップチップボンディングとワイヤボンディングの概要
| 考慮 | ワイヤボンディング | フリップチップ |
|---|---|---|
| ダイの向き | 活性面は通常上向きに向いている | 活性面は受容基板に面している。 |
| 相互接続 | ダイパッドとパッケージ端子間の細い配線 | ダイと基板パッド間の突起または柱 |
| パッド配置 | 一般的に金型の外周付近 | 周辺機器またはエリアアレイ接続 |
| 電気経路 | 配線の長さ、ループの形状、配線方法によって異なります。 | 短い垂直接続は相互接続の寄生容量を低減できる |
| 金型準備 | 互換性のあるボンドパッドと冶金 | 互換性のある突起または柱状構造 |
| 議会の懸念事項 | 接着品質、ループクリアランス、ワイヤスイープ、パッド損傷 | 位置合わせ、共面性、接合部の形成、および反り |
| 熱性能 | パッケージ全体と冷却経路によって異なります | パッケージ全体と冷却経路によって異なります |
| 原価基準 | ダイアタッチ、ワイヤボンディング、材料、検査、歩留まり | バンプ形成、基板、接着、必要に応じたアンダーフィル、検査、歩留まり |
これらの違いは一般的な構造に関するものです。個々のパッケージの詳細については、別途確認が必要です。
組み立て工程にどのような変更がありますか？
ワイヤボンディングにより、ダイの取り付け部と電気接続部が分離される。
一般的なワイヤボンディングアセンブリでは、まずダイがキャリアに取り付けられます。 ワイヤーボンダー 次に、ダイパッドをパッケージ端子に接続します。
使用可能な材料としては、金、銅、アルミニウム、銀合金線などが挙げられます。材料の選択は、パッドの冶金特性、パッケージの要件、装置の性能、および認定されたプロセスによって決まります。
実用的なプロセスでは、ボンディング位置だけでなく、ループ形状、ワイヤ間隔、ボンディング強度、そして後続の封止工程との相互作用など、多くの要素を制御する必要があります。
製品を変更する場合、異なる工具、配線設定、ループプログラム、または材料認定が必要になる場合があります。プログラムを変更するだけでは、新しいアセンブリが生産準備完了になったとは言えません。
フリップチップは、電気インターフェースをダイの下に移動させる。
フリップチップ実装では、相互接続部はダイの活性面と受容基板の間に配置される。
技術によっては、組み立て工程には、配置後にリフロー、熱圧着接合、またはその他の適切な接合プロセスが含まれる場合があります。アンダーフィル材や関連材料もパッケージ構造の一部となる場合があります。
Aフリップチップボンダー 所定の組立経路に照らして評価する必要がある。正確な配置だけでは、工程全体で信頼性の高い接合部を形成できることを保証するものではない。
装置を選定する前に、バンプダイの供給元、接合部の形成方法、およびライン内の他の場所で行われる後続工程を確認してください。
電気的性能：接続距離を短くすることで得られるメリット
ボンディングワイヤは、その長さ、形状、間隔、および周囲のパッケージとの関係に応じて、電気的効果をもたらします。
フリップチップ接続は、ダイと基板間の経路を短縮できます。これは、相互接続のインダクタンス、電力供給、または配線密度が設計上の制約となる場合に有効です。
しかし、接続距離が短いからといって、必ずしもシステム性能が向上するとは限りません。基板配線、リターンパス、電力分配、パッケージ遷移などは依然として重要です。
同じ要件に基づいて、2つの構造を比較してください。
信号周波数と立ち上がり時間。
許容損失および結合。
電力および接地配線。
現在の要件。
荷物の配送経路に関する制約。
パッケージと相互接続が適切に設計されていれば、ワイヤボンディングは多くの要求の厳しい製品にとって依然として有効な選択肢である。どちらの技術がより進んでいるかという一般的な仮定ではなく、電気モデルを用いた比較が必要である。
入出力密度：普遍的なスイッチングしきい値を避ける
ワイヤボンディングでは、一般的にダイの外周にあるパッドにアクセスします。接続数を増やすと、パッドピッチ、ワイヤのクリアランス、パッケージの配線経路などに制約が生じる可能性があります。
フリップチップは、ダイ表面のより広い範囲に接続を分散させることができます。これにより、高密度な信号および電源接続のための配線機会がさらに広がります。
すべての製品が技術を切り替えるべき単一のI/O数というものは存在しない。実現可能性は、ダイの寸法、パッドの配置、組み立て能力、および配線規則によって異なる。
フリップチップをI/O問題の解決策として採用する前に、ダイレイアウトと基板が提案された相互接続構成に対応していることを確認してください。接続方法を変更する場合は、パッケージとその認定計画にも変更が必要になる場合があります。
熱性能：完全な熱経路を追跡
どちらの方法にも一定の熱的利点を割り当てるのは誤解を招く。
一般的なワイヤボンディングパッケージでは、熱はダイの裏面からダイアタッチ材を通してリードフレーム、露出パッド、または基板へと伝わります。この経路の有効性は、パッケージの種類と、基板または冷却システムとの接続方法によって異なります。
フリップチップ構造では、露出したダイ裏面を通して冷却することが可能です。また、熱は相互接続部や基板構造を通して伝わります。
有意義な比較では、以下の点が明らかになります。
熱が発生する場所。
どの面が冷却システムに接続されていますか。
アセンブリ全体の熱抵抗。
関連する電源サイクルおよび温度条件。
材料に関連する機械的応力。
パッケージの断面図と明確な冷却条件を示すことで、ある接合方法の方が低温で動作するという漠然とした主張よりも、はるかに有用な情報が得られる。
どちらの方法が費用が安いですか？
ダイに互換性のあるパッドが既にあり、パッケージが確立されていて、組み立て能力が利用可能な場合、ワイヤボンディングは経済的な方法となり得る。
フリップチップ方式では、バンプ形成、異なる基板の使用、より厳しい位置合わせ要件、追加の材料や検査工程が必要となる場合があります。これらのコストは、パッケージサイズや配線経路など、他の部分で得られる可能性のあるコスト削減効果と比較検討する必要があります。
ボンダーの購入価格ではなく、承認されたパッケージあたりのコストを比較してください。
| コスト領域 | 解決すべき問題 |
|---|---|
| 金型準備 | 追加のウェハーレベル処理が必要ですか？ |
| 梱包材 | どのような基板、リードフレーム、相互接続材料が必要ですか？ |
| 組み立て | 必要な機械と工程はどれですか？ |
| 検査 | 関連する関節はどのように評価されるのでしょうか？ |
| 収率 | 組立ロスはどこで発生する可能性がありますか？ |
| 資格 | どのような試験およびエンジニアリング作業が必要ですか？ |
| 製品の変更点 | 金型やパッケージが改訂されると、何が変わりますか？ |
既存製品の場合、代替プロセスが単独では魅力的に見えても、変換コストは相当なものになる可能性がある。
信頼性は構造に依存する
ワイヤボンディングの認定試験では、ボンディングの剥離、ヒールクラック、パッドの損傷、腐食、および封止中のワイヤの動きなどを検査する場合があります。
フリップチップ試験では、接合部の疲労、界面の破損、充填不足、空隙、反りなどを検査する場合があります。
どちらのリストも、どちらの技術が本質的に信頼性が高いかを明確に示すものではありません。関連するリスクは、材料、構造、プロセス制御、および動作環境によって決まります。
製品の認定計画においては、温度サイクル、湿気への曝露、機械的負荷、および電力損失を考慮する必要がある。
図2．組立工程を選択する前に、同じ製品要件に対してパッケージオプションを比較する。
実践的な選抜手順
まず、容易に変更できない制約から始めましょう。
ダイがワイヤボンディングパッド付きでしか入手できない場合、フリップチップへの変換には追加の開発が必要になる可能性があります。高密度な相互接続配線が不可欠な場合は、ワイヤボンディングの代替手段として、より大きなパッケージ、または大幅に異なるパッケージが必要になる可能性があります。
次に、残りの選択肢について、電気解析、熱設計、組立試験、および認証計画を通じて比較検討する。
ボンディング装置の要件を検討する際、有用な出発点となる情報は、ダイレイアウト、相互接続構造、基板、ボンディングプロセス、および生産目標です。これらの詳細情報は、必要な装置と関連プロセスを確立するのに役立ちます。
よくある質問
フリップチップはBGAと同じですか？
いいえ。フリップチップとは、ダイとその受容基板との接続方法を指します。BGAとは、外部パッケージの接続形式を指します。BGAパッケージには、ワイヤボンディングされたダイまたはフリップチップダイを収容できます。
ワイヤーボンディングダイをフリップチップに直接変換することは可能ですか？
自動的には評価できません。パッドの冶金、バンプ形成、レイアウト、基板設計、パッケージの品質評価を行う必要があります。
フリップチップには必ずアンダーフィルが必要ですか？
充填不足の要件は、パッケージの構造、材料、および信頼性目標によって異なります。認定された組立フローを確認してください。
1つのパッケージに両方の技術を搭載することは可能ですか？
はい。ハイブリッド構造や積層構造では、フリップチップ接続とワイヤボンディング接続を組み合わせることができます。
ボンディング装置を購入する前に、どのようなことを決定しておくべきでしょうか？
組立工程、金型および基板の形状、材料、位置合わせ要件、温度および力に関する要件、取り扱い方法、および受入基準を定義する。
