光デバイス／発光ダイオード

３７．ワイヤボンド

　半導体デバイスは電流を供給するために外部と電気接続をする必要があります。そのための有力な方法がワイヤボンドです。原理的には単に電線（ワイヤ）を使ってつなぐ方法で、既に前項、前々項のパッケージ製造工程の話に登場しています。

　発光ダイオードのチップは普通１ｍｍ角にも満たない小さなものです。その上にある電極はさらに小さいので、そこに電線（ワイヤ）をつなぐのには特殊な方法が必要と想像できます。ワイヤは髪の毛ほどの非常に細いもの（通常直径20～30μｍ程度）を使う必要があります。材料は金が代表的ですが、アルミニウム線なども使われます。

　またワイヤボンドをするときに、あまり高い温度にすると半導体デバイスの特性が劣化する恐れがあります。またワイヤを接続するときに強い圧力や衝撃が加わると半導体デバイスが壊れる恐れもあります。

　半導体デバイスに損傷を与えないで、非常に小さい場所にワイヤをつなぐにはどうするのかについて以下に紹介します。

　基板上の配線金属の上にダイボンドしたＬＥＤチップの電極と電気的に切り離された別の配線金属とをワイヤで接続する手順を図３７－１に示します(1)。基板上の配線金属に限らず、前項のリードフレーム上でも手順は同じです。

　まずこのＬＥＤチップ上の電極にワイヤをつなぎます。ワイヤはキャピラリと呼ばれる鉛筆の先のような形をしたセラミック管に開けた孔に通します。このキャピラリの先端部にトーチと呼ばれる高電圧をかけた金具を近づけると、パチッと放電が起きてスパークがとび、ワイヤが融けて切れ、先端にボールができます（図３７－１（ａ））。

　ボールの直径は100μｍ程度とワイヤの径より大きいので、キャピラリを動かしてもこのボールが先端に引っかかってワイヤは抜けなくなります。そこでボールを作った後、キャピラリをチップの直上まで移動させます。手動なら顕微鏡の下で位置合わせを行いますが、画像認識などを使えば自動的に位置合わせができます。

　その後、図３７－１（ｂ）の矢印で示すようにキャピラリを下ろしてボールをチップ上のパ電極に押しつけます。電極はパッド電極などと言われ、少し厚めの金属層をチップの上に設けておきます。パッド電極の表面層はワイヤと同じ金の膜である場合が多いですが、接合がしっかりできるのであれば、他の金属でも構いません。

　ボールを押しつける際、チップが損傷しない程度に大体200℃以下くらいに加熱しておきます。またキャピラリには超音波ホーンが取り付けられていて、接合部に超音波が加えられるようになっています。この超音波の振動によってワイヤのボールとパッド電極の金属が互いに食い込むようなイメージで接合します。これをボールボンディングと呼ぶことがあります。

　つぎに図３７－１（ｃ）に示すようにキャピラリを矢印で示すように一旦引き上げ、ワイヤの接続先である基板上の配線金属の位置へ移動させます。ワイヤはキャピラリの動きにしたがって繰り出されるようになっているので、必要な長さになります。

　こんどはボールを作らないでそのままキャピラリを下げ、導体パターンに押しつけます。超音波も加えます。その後、キャピラリを横方向に動かしてワイヤをこすり取るように切断すると、２点間のワイヤ接続が完成します。ボールのないこのような接合をウェッジ（wedge）ボンディングということがあります（wedgeはくさび型という意味です）。またここでワイヤを切らずに次の接続点へさらに接続をすることがあります。その場合をステッチ（stitch）ボンディングと言います（stitchは縫い目という意味です）。

　最初の接続はボールボンディングであるのが普通ですが、逆にすることもできます（2）。ウェッジボンディングはボールボンディングのようにワイヤを上方に引っ張らず横に引っ張るので、ワイヤが基板に沿って低く引かれます。このためパッケージを高さを抑えることができ、パッケージの小型化に向いています。

(1)特開平９-97929号
(2)特開2001-15542号