ボンディングワイヤとは

THEME 01 基板・材料 · 材料と部材Bonding Wire

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ボンディングワイヤとは、半導体素子の電気信号を外部へ伝えるために使われる、金属の細い線です。 チップ表面の電極パッドと、パッケージの外部端子へ続く配線とを1本ずつ結び、チップの中の回路の信号を外へ出します。

材料は金から始まり、いまはパラジウムで覆った銅が最も多く使われます。線が切れるかどうかは、周りを固める封止樹脂との組み合わせで決まります。

太さは15μmから500μm、高密度品では2,000本以上が並ぶ

太さは用途で大きく変わり、細いもので15μm、太いもので500μm程度です¹。パソコンなどに載る高機能で高密度なパッケージでは、1つのパッケージに2,000本以上のワイヤが30〜50μm程度の間隔で張られます。

完成品では、この線は樹脂の内側にあります。半導体パッケージはワイヤボンディングを終えてから樹脂で封じるため、完成後のワイヤは外から見えなくなります。

封止樹脂の内側で、2,000本以上の線が信号を渡しています

パッケージは封止のあと、外からワイヤが見えなくなります。線は完成品の内部に閉じ込められるため、材料と接合の良否は組み立ての時点で決まります。

金の代替は、パラジウムで覆った銅で実用化した

1950年代のトランジスタ発明以来、過去50年間にわたって一貫して金が使われてきました²。金は高価な貴金属なので、より低コストで導電性に優れる銅のワイヤ開発が世界の多くの企業で繰り返されました。それでも接合不良と酸化による耐久性の課題を解決できず、LSI用途では実用化されていませんでした。

解決策は、銅の芯を薄い層で覆うことでした。日本製鉄の先端技術研究所は、覆う素材としてパラジウムを選ぶ独自の構造設計にたどり着き、接合性と信頼性の課題を解いた銅ボンディングワイヤ「EX1」を開発しました。同社はEX1を、従来の金ワイヤに比べて7分の1程度の価格で最先端LSIの要求性能を満たし、20%以上の高い導電性で電力損失を抑えるワイヤと位置づけています。

パラジウム被覆の厚さはワイヤ直径の数百分の一以下で、その薄さを常に均一に保つ必要がありました³。開発着手は2004年頃、EX1の開発成功は2007年、販売開始は2009年です。

銅の芯を薄い殻で覆うことで、金からの置き換えが進みました

課題は銅の表面にありました。直径の数百分の一以下という薄いパラジウムの層を均一に付けることが、金からの置き換えの条件になりました。

銅が主流で、銀は金の代替、アルミはパワー半導体向け

素材は金、銀、銅、アルミの4つです¹。いまはパラジウム被覆銅ワイヤが市場で最も多く使われ、銀ワイヤも金の代替として使われ始め、アルミワイヤは主にパワー半導体用途に使われます。

銀は、金に近い性質を安く得るための選択肢です。日鉄マイクロメタルは銀ワイヤGX2sについて、電気抵抗が金ワイヤと同じ2.4μΩcm、フリーエアボールの硬度が41Hv（金ワイヤは43Hv）⁴という代表値を掲げています。

アルミは太さの桁が違います。品番は線径100μm超のNL1と、100μm以下のNL1F⁵に分かれ、日鉄マイクロメタルは、パワー半導体や車載用途からバッテリー接合まで使えるとしています。

銅の系列では、要求される信頼性に応じて品番ごとに対応範囲が異なります。日鉄マイクロメタルは、EX1RとEX1Sが車載電子部品評議会の定めたAEC-Q006 Grade 0をクリアする性能を持つとしています⁶。EXシリーズのフロアライフは30日間、巻長さは5000mまでです。

接合はボールボンディングとウェッジボンディングの2通り

ボールボンディング方式では¹、ワイヤの先端を放電で溶かしてボール（フリーエアボール）を作り、そのボールを熱・超音波・荷重で半導体素子へ接合します。これが1stボンド（ボールボンド）で、基板側の外部端子への2ndボンドには一般にステッチボンドを使います。

もう1つのウェッジボンディング方式は、ボールを作らずに荷重と超音波だけでワイヤを接合し、主にパワー半導体で使われます。

断線は、ワイヤと封止樹脂と温度の組み合わせで決まる

パワー半導体パッケージの部材のうち、ワイヤ（Au、Cu）とチップ（Si）は熱膨張係数の差が大きく⁷、動作温度が上がるほど熱膨張差も大きくなります。シリコーン樹脂の封止材は柔らかく、チップやワイヤを拘束する力が弱いため、高温のパワーサイクル試験ではワイヤの浮き上がり（リフトオフ）や断線が起きていました。

線が切れるかどうかは、線の材料と、周りを固める封止樹脂の硬さと、動作温度の3つの組み合わせで変わります。ワイヤの品番だけを選び直しても、封止樹脂の側が柔らかいままでは同じ試験結果になります。

よくある質問（FAQ）

ボンディングワイヤとは何ですか？

半導体素子の電気信号を外部へ伝えるための、金属の細い線です。パッケージはワイヤボンディングを終えてから樹脂で封じるため、完成後のワイヤは外から見えなくなります。

どのくらいの太さですか？

用途で大きく変わり、細いもので15μm、太いもので500μm程度です。金ワイヤの15〜30μmという線径は、髪の毛の5分の1ほどの太さにあたります。

1つのパッケージに何本入りますか？

パソコンなどに載る高機能で高密度なパッケージでは、1つのパッケージに2,000本以上のワイヤが30〜50μm程度の間隔で張られます。

どんな金属が使われますか？

金、銀、銅、アルミです。いまはパラジウム被覆銅ワイヤが市場で最も多く使われ、銀ワイヤも金の代替として使われ始め、アルミワイヤは主にパワー半導体用途に使われます。

なぜ金から銅へ替わったのですか？

価格です。1950年代のトランジスタ発明以来50年間にわたり金が使われてきましたが、高価な貴金属なので、より低コストで導電性に優れる銅への置き換えが世界の多くの企業で試みられてきました。

パラジウムはなぜ必要なのですか？

裸の銅では、酸化と接合不良の課題が残ったためです。日本製鉄の先端技術研究所がパラジウムを被覆素材に採用した独自の被覆構造設計を発明し、EX1の開発に成功しました。

ワイヤは切れることがありますか？

封止する樹脂との組み合わせで決まります。シリコーン樹脂の封止材は柔らかく、チップやワイヤを拘束する力が弱いため、高温のパワーサイクル試験ではワイヤの浮き上がりや断線が起きていました。

比較・違いを学ぶ

ワイヤボンディングとは── ボンディングワイヤが材料であるのに対し、こちらは線を接合する工程です
封止樹脂とは── ワイヤを覆って固め、膨張収縮を拘束する側の材料です
アンダーフィルとは── チップと基板の隙間だけを埋める樹脂で、線を渡す方式との対になります

出典

7件を表示

1
日鉄マイクロメタル：ボンディングワイヤとは？nmc-net.co.jp a b c
2
日本製鉄：研究開発事例ボンディングワイヤnipponsteel.com ↩
3
日鉄マイクロメタル：パラジウム被覆銅ボンディングワイヤの歴史nmc-net.co.jp ↩
4
日鉄マイクロメタル：GX（銀ボンディングワイヤ）nmc-net.co.jp ↩
5
日鉄マイクロメタル：アルミボンディングワイヤnmc-net.co.jp ↩
6
日鉄マイクロメタル：EX（パラジウム被覆銅ボンディングワイヤ）nmc-net.co.jp ↩
7
レゾナック：パワー半導体の信頼性を向上！高Tgのエポキシ系耐熱封止材resonac.com ↩