ボールボンダー、ウェッジボンダー、ヘビーワイヤーボンダー：選定ガイド

ワイヤボンディング装置の選定は、特定のメーカーの装置を選ぶのではなく、製品に必要な相互接続方式から始めるべきです。ボールボンダー、細線ウェッジボンダー、太線ボンダーは、いずれも広義にはワイヤボンディング装置と呼ばれますが、それぞれ異なるツール、ワイヤ制御システム、プロセス条件を使用します。

この区別は、3つの名称が示唆するよりもさらに厳密です。ヘビーワイヤボンディングは一般的に、より太いアルミニウム線または銅線、リボン、および高電流接続を中心に設計されたウェッジ・ウェッジボンディング方式です。ウェッジボンディングとは全く異なるボンディング原理として扱うべきではありません。

ワイヤボンディング装置と基本的なプロセス手順の一般的な説明については、以下を参照してください。ワイヤボンダー技術ガイドこの記事では、特定のパッケージと生産要件に対して適切な機器の方向性を選択することに焦点を当てます。

相互接続要件から始めましょう

パッケージ名だけでは、機械のカテゴリを確実に判別することはできません。パワーデバイス、センサー、半導体モジュールなどと説明されている2つの製品でも、配線材料、接合形状、製造システムが大きく異なる場合があるからです。

これらの要件は、個々のモデルを比較する前に明確に定義しておく必要があります。適切なワイヤ材料に対応している機械であっても、接合面積、ワークホルダー、自動化機能、ループ機能、またはソフトウェア構成によっては、不適合となる可能性があります。

ボールボンディング業者は、細線生産における生産性と柔軟性を最優先事項としている。

ボールボンディングでは通常、電子式火炎切断システムを用いて、細いワイヤの先端に空気中のボールを形成します。セラミック製の毛細管がボールを最初の接合位置に配置し、ワイヤループを形成した後、2番目の接合位置でステッチボンディングによって接続を完了します。

現代のボールボンディングは、一般的に細い金線や銅線、高密度半導体パッケージ、自動生産と関連付けられています。装置やパッケージングプロセスによっては、以下のような用途があります。

• ロジック、メモリ、アナログ集積回路

• 個別半導体デバイス

• LEDおよび光電子パッケージ

• 積層ダイおよびマルチチップパッケージ

• システム・イン・パッケージおよび高密度相互接続設計

• 大量生産のリードフレームおよび基板ベースのアセンブリ

ボールボンダーを評価する理由

• 高い生産性は重要である。

• パッケージには、細い金線または銅線が使用されています。

• ボンディングレイアウトでは、配線が様々な方向に広がる必要がある。

• この製品は、デバイスあたりの結合数が非常に多い。

• 微細ピッチかつ高密度なパッケージ実装が求められる。

• 自動化された資材搬送と大量生産におけるレシピ制御が優先事項である。

毛細管は、円形のツールが、結合自体がくさび形に沿う必要なく、異なる第2結合位置に向かってループを形成できるため、方向の柔軟性が大幅に向上する。

検証が必要な条件

ボールボンドヘッドの存在は、すべての細線パッケージとの互換性を保証するものではありません。機械の選定にあたっては、以下の点を考慮する必要があります。

• 対応ワイヤ材質と直径

• EFOシステムとフリーエアボールの安定性

• 毛細管の形状と工具のクリアランス

• パッドピッチとボンド配置の要件

• ループの高さ、スパン、および積層ダイの形状

• 作業者の温度とパッケージのサポート

• 銅線対応能力および該当する場合の保護ガス要件

• ハンドラー、リードフレーム、または基板のフォーマット

したがって、高速ボールボンダーは適切な機械カテゴリーである可能性があるが、それでも目的とするパッケージに応じて、異なるボンドヘッド、ワークホルダー、キャピラリー、またはソフトウェアオプションが必要になる場合がある。

細線ウェッジボンダーは、低ループおよび方向性ボンディングをサポートします。

ウェッジボンディングは、ウェッジ形状の工具を用いてワイヤを接合面に押し付け、超音波エネルギーと力によって相互接続を形成するプロセスです。このプロセスでは通常、ワイヤの両端にウェッジボンディングが形成され、自由空気中のボール形成は不要です。

細線ウェッジボンディングでは、使用する機械、ツール、プロセスに応じて、アルミニウム線、金線、銅線を使用できます。パッケージの形状、熱的制約、相互接続形状などにより、従来のボールボンディングよりもウェッジボンディングの方が適している場合に、この方法が評価されることがよくあります。

細線ウェッジボンダーを評価する理由

• このパッケージは、非常に低い、または短いループを必要とします。

• 荷物の上部の垂直方向のクリアランスは限られています。

• このアプリケーションは、細いアルミニウム線を使用しています。

• 低温超音波接合が好ましい。

• 結合の幾何学的構造は、細長いくさび形結合を必要とする。

• RF（高周波）相互接続にはリボンが必要です。

• 当該製品は、ハイブリッド回路、センサー、MEMSデバイス、RFモジュール、または特殊なマイクロエレクトロニクスアセンブリである。

ウェッジツールの方向性は重要な設計要素です。ツール、ボンドヘッド、またはワークピースは、ワイヤの経路に合わせて配置する必要があります。これにより、ボンド方向と薄型形状を強力に制御できますが、サイクルタイムや機械構造にも影響を与える可能性があります。

ファインピッチは必ずしもウェッジボンディングを意味するものではない

最新のボールボンダーとウェッジボンダーはどちらも、適切な条件下であればファインピッチの実装に対応できます。どちらを選ぶべきかは、実装する形状全体によって異なります。

高出力と多方向へのファンアウトが重要な場合は、ボールボンディングが依然として好ましい選択肢となるでしょう。一方、ループ高さが低い、細長いボンド、深いアクセス、ワイヤ材料、またはリボンの向きが設計を左右する場合は、ウェッジボンディングがより魅力的な選択肢となるでしょう。

太線ボンダーは、電力および大電流の相互接続に使用されます。

太線ボンダーは一般的に、太いワイヤまたはリボン用に構成された超音波ウェッジ・ウェッジ方式のシステムです。ボンディングヘッド、トランスデューサー、ワイヤガイド、クランプ、カッター、ワークホルダーは、細線システムとは大きく異なる機械的負荷に対応するように設計されています。

一般的な材料の方向としては、アルミニウムまたは銅の丸線、およびアルミニウムまたは銅のリボンが挙げられます。実際に対応可能な範囲は、ボンディングヘッドと機械の構成によって異なります。

一般的な太線用途

• パワー半導体モジュール

• IGBTおよびSiCデバイスのアセンブリ

• 自動車用トラクションインバータ

• DC/DCコンバータおよび産業用パワーエレクトロニクス

• バッテリーモジュールとセル間の相互接続

• 高電流ディスクリートデバイス

• パワーハイブリッド回路

• 大面積の銅またはアルミニウム相互接続

太線ボンダーを評価する理由

• 相互接続部は、従来の細い電線よりも高い電流を流す必要がある。

• この設計には、太いアルミニウム線または銅線が必要です。

• リボンは、相互接続面積を拡大したり、特定の電気設計をサポートしたりするために必要です。

• このパッケージは、広い接合面積、またはパワーモジュール形式を備えています。

• このプロセスには、複数の平行なワイヤーまたはリボンが必要となる。

• 熱ストレスや振動ストレス下における機械的耐久性は重要である。

• 生産ラインには、モジュール、リードフレーム、またはバッテリーの自動搬送システムが必要です。

太線配線装置は、最終機器の定格電流値だけで選定すべきではありません。パッドサイズ、表面材質、ワイヤの変形、超音波出力、ワークホルダーのサポート、パッケージの剛性、および必要な接着試験方法にも適合している必要があります。

3つの機器の方向を比較する

この表は、想定される機器の方向性を示すものです。ただし、同じカテゴリーの機器であっても、個々の機種によって接合領域、ワイヤ範囲、自動化機能、品質監視機能が大きく異なる場合があるため、アプリケーションレビューに代わるものではありません。

ワイヤーの材質だけでは機械を選択できません

「当社は銅線を使用しています」とか「この製品にはアルミ線が必要です」といった記述だけでは、機械選定には不十分です。

銅は、細線ボールボンディング、細線ウェッジボンディング、または太線電力用途で使用されることがあります。アルミニウムはウェッジボンディングと密接に関連していますが、必要な直径とパッケージ形状によって、プロジェクトに細線システムが必要か、太線製造プラットフォームが必要かが決まります。

提案されたワイヤーまたはリボンケーブルごとに、以下を確認してください。

• 材質および合金

• 直径またはリボンの幅と厚さ

• スプールタイプと送り機構

• 必要な工具形状

• ボンドパッドおよび端子材料

• 超音波周波数とプロセスエネルギー範囲

• ループまたはリボンパスの形状

• 予想される引張、せん断、または剥離挙動

適切な金属材料が記載されていても、対応寸法、ボンドヘッド、および工具が明記されていない機械リストは、選定目的には不完全である。

パッケージ形状は一般的な適用ルールを上書きできます

一般的な用途ラベルは役立ちますが、絶対的なものではありません。電力関連製品だからといって必ずしも太線ボンダーが必要なわけではなく、ICパッケージだからといって必ずしもボールボンディングが必要なわけでもありません。

物理的な設計を評価する：

• ボンディングツールは、周囲の構造物に接触することなく、すべてのパッドに到達できますか？

• 配線は様々な方向に広がる必要がありますか？

• 計画しているループを設置するのに、利用可能な垂直方向のクリアランスは十分ですか？

• 結合部は細長い楔形である必要がありますか？

• リボンの向きは電気設計において重要ですか？

• ワークホルダーは超音波接合中にパッケージを支えることができますか？

• 接合部は機械の動作範囲内にありますか？

• この製品は、接続ごとに1本の配線が必要ですか、それとも複数の並列配線が必要ですか？

たとえ当初、材料や製品カテゴリーが別の方向性を示していたとしても、回答によっては選択されたプロセスが変わる可能性がある。

生産要件 機械構成を決定する

接合方法を選定したら、その機械が実際の生産現場でどのように動作するかを比較検討してください。

開発ラボでは、手動アクセス、プロセスの柔軟性、交換可能なボンドヘッドが優先される場合があります。ICの量産ラインでは、ボールボンディングの速度と自動ハンドリングが優先される場合があります。パワーモジュールやバッテリーのラインでは、広い作業エリア、太いワイヤヘッド、頑丈な治具、製品固有の自動化が必要となる場合があります。

実用的なワイヤボンダー選定手順

1. 電気接続を定義する。電流、周波数、抵抗、および信頼性に関する要件を定める。

2. ワイヤーまたはリボンの方向を選択してください。材質、断面形状、および相互接続の数を特定してください。

3. 結合面をレビューする。ダイパッド、端子、リードフレーム、または基板の金属化を確認してください。

4. パッケージの形状をマッピングします。パッドピッチ、ツールアクセス、ループ高さ、接着方向、作業領域を記録します。

5. 熱予算を確認してください。パッケージが必要な加熱処理または低温処理に対応できるかどうかを判断してください。

6. 接着プロセスを選択してください。定義された相互接続に対して、ボールボンディング、細線ウェッジボンディング、太線ウェッジボンディングを比較する。

7. マシン構成を選択してください。ボンドヘッド、ワイヤ経路、ツール、ワークホルダー、ビジョン、ハンドラー、およびソフトウェアを確認してください。

8. 試験に用いる代表的な材料。意図した結合順序、ループ、および測定可能な結合結果を実証する。

9. 製品の適合性を確認してください。出力、切り替え、自動化、データ、およびサポートに関する要件を確認してください。

10. 該当の機械を点検してください。中古機器の場合は、インストール済みの構成とテストの証拠を機器のシリアル番号に紐付けてください。

この手順により、実際の接着要件が明確になる前に、馴染みのあるブランドや機種を選択してしまうリスクを軽減できます。

複数の接着剤タイプが必要な場合

製品によっては、複数の相互接続要件が含まれている場合があります。例えば、あるパッケージファミリーでは信号接続に細線ボールボンディングを使用している一方で、関連する電源製品では太いアルミニウム線やリボンを使用しているといった具合です。

検証済みの交換可能なボンドヘッド構造と、必要なワイヤ送給装置、工具、ワークホルダ、およびソフトウェアサポートを備えていない限り、単一の機械で両方向の溶接に対応できると考えるべきではありません。たとえそうであっても、段取り替え時間、校正、および生産量によっては、別々の機械を使用する方が現実的な場合もあります。

したがって、複数の製品を組み合わせたポートフォリオは、すべてのパッケージに対して汎用的なワイヤボンダーを選択するのではなく、プロセスファミリーごとに見直すべきである。

ボールボンダー、ウェッジボンダー、ヘビーワイヤーボンダーに関するよくある質問

太線ボンダーとウェッジボンダーは異なるものですか？

太線ボンダーは通常、特殊なウェッジ・ウェッジボンディングシステムです。太いワイヤやリボンに対応するように設計されたボンディングヘッド、トランスデューサー、ワイヤパス、カッターを使用し、電力製品や大電流製品に広く用いられています。

ボールボンディングはウェッジボンディングよりも常に速いのでしょうか？

ボールボンディングは一般的に高速細線製造に適していますが、実際の生産量はパッケージ、ボンディング数、ループプログラム、機械の自動化、検査要件によって異なります。公表されている最大速度は、製品固有のサイクルレビューに代わるものではありません。

ウェッジボンダーで金線を使用できますか？

はい、適用可能なウェッジシステムでは金線を使用できますが、接合モード、温度、ウェッジツール、および機械構成は、選択したワイヤと接合面に適合している必要があります。

パワー半導体製品には常に太い配線を使用すべきでしょうか？

いいえ。適切な相互接続方法は、電流、パッケージ設計、パッドサイズ、熱特性、信頼性要件によって異なります。電力関連デバイスによっては、細線、リボン、クリップ、またはその他の相互接続技術が使用される場合があります。

1台の機械で細線と太線の両方を接合できますか？

柔軟性の高いシステムや開発用システムの中には、交換可能なボンディングヘッドを備えているものもありますが、この機能は実際に使用する機械で確認する必要があります。細線用ヘッドと太線用ヘッドはどちらもウェッジボンディングを使用しているからといって、太線を処理できるとは限りません。

最終勧告

機械モデルを選択する前に、ボンディングプロセスを選択してください。ボールボンダは、高速細線半導体パッケージングにおいて一般的に最も強力なボンディング方式です。細線ウェッジボンダは、ループ径が小さい場合、方向性のあるボンディング、低温処理、または特殊材料が設計を左右する場合に重要になります。太線およびリボンボンダは、より大きな相互接続とより強力なウェッジボンディングシステムを必要とする電力、自動車、バッテリー、および大電流アプリケーションに使用されます。

正しいプロセス方向を特定した後、利用可能なものを比較しますワイヤボンディング装置正確なボンドヘッド、ワイヤ範囲、ツーリング、ワークホルダー、自動化、テスト機能によって決まります。パッケージまたは特定された機械について話し合うには、ワイヤまたはリボンの仕様、パッケージ図面、パッド材料、ループ要件、生産目標を以下の方法で送信してください。All-SMT連絡先ページ.