「装置の中のシーケンス」第4回はワイヤボンダ——チップの電極と基板のリードを、髪の毛より細い金属線で繋ぐ装置です。ダイボンダとワイヤボンダの違いで役割は解説済みなので、今回は動きの中身へ。

ワイヤボンダは、しばしば「超高速のミシン」に例えられます。1本の配線にかかる時間は約0.1秒、毎秒十数本のペースで糸を張り続ける。しかしその0.1秒の中に、放電・圧着・軌道制御・切断というまったく性質の違う仕事が詰め込まれています。スローモーションで分解してみましょう。

Contents
  1. 全体像 — 0.1秒に詰まった6つの動作
  2. ステップ①: ロードと加熱 — 舞台は「温めて」から
  3. ステップ②: アライメント — 針飛びしないミシンの目
  4. ステップ③: ボール形成 — 電気の火花で真球を作る
  5. ステップ④: 1stボンド — 熱・荷重・超音波の三位一体
  6. ステップ⑤: ルーピング — 空中に描く精密な弧
  7. ステップ⑥: 2ndボンドとテール切断 — 潰して、千切って、次へ
  8. ステップ⑦: 監視と検査 — 縫いながら、疑う
  9. ワイヤの世代交代と勢力図
  10. よくある質問
  11. まとめ

全体像 — 0.1秒に詰まった6つの動作

【毎ワイヤ繰り返し】
ボール形成(放電) → 1stボンド(パッドに圧着) → ルーピング(軌道を描く) →
→ 2ndボンド(リードに圧着) → テール切断 → 次のボールへ
   ※基板は加熱ステージ上、カメラは常に位置を補正し続ける

ステップ①: ロードと加熱 — 舞台は「温めて」から

ダイボンド(ダイボンダ解説)を終えたリードフレームや基板が搬入され、ヒートブロック上にクランプされます。多くの接合方式では基板を百数十〜250℃程度に加熱しておきます。後述する「熱+荷重+超音波」の三位一体接合の、まず「熱」の準備です。

ステップ②: アライメント — 針飛びしないミシンの目

カメラがチップ上のパッドとリードの位置を認識し、あらかじめ教示された配線図(どのパッドとどのリードを繋ぐか)を実際の座標に重ねます。ダイボンドの搭載位置には必ず微小なずれがあるため、チップ1個ごとに座標系を補正してから縫い始めます。#1のプローバ、#3のダイシングと同じく、ここでも「見てから動く」が鉄則です。

ステップ③: ボール形成 — 電気の火花で真球を作る

主役の道具はキャピラリ——先端に小さな穴の開いたセラミック製の縫い針で、穴には金や銅のワイヤ(直径十数〜数十μm)が通っています。

最初の動作は意外にも放電です。ワイヤ先端と電極の間に高電圧の火花(EFO)を飛ばすと、先端が瞬間的に溶け、表面張力で真球のボール(フリーエアボール)になります。ライターも炉も使わず、電気の火花一発でμmサイズの真球を作る——このボールの直径のばらつきが接合品質を左右するため、放電電流と時間は精密に制御されます。

ステップ④: 1stボンド — 熱・荷重・超音波の三位一体

ボールを先端にぶら下げたキャピラリが、チップのパッドへ降下します。高速で近づき、接触直前で減速して着地を検知——そこから荷重をかけてボールを押し潰しながら、キャピラリを超音波で微振動させます。

熱で材料を柔らかくし、荷重で密着させ、超音波振動で表面の酸化膜を擦り破って新生面同士を触れさせる。すると金属原子同士が結びつき、溶かさずに接合が成立します(熱超音波接合)。はんだも接着剤も使わない、固体のまま原子レベルで「くっつける」技術です。

ステップ⑤: ルーピング — 空中に描く精密な弧

1stボンドを終えたキャピラリは、ワイヤを繰り出しながら上昇し、教示された軌道を描いてリードへ向かいます。ただ山なりに動くのではありません。いったん逆方向へ動いてワイヤに折り癖(キンク)をつけ、狙ったループ形状を作り込む——ワイヤの塑性変形を利用した空中の成形加工です。

ループが高すぎればパッケージの薄さに収まらず、低すぎればチップの縁に接触して短絡。何百本ものワイヤが隣り合う多ピン品では、隣のワイヤと触れない三次元経路まで設計されます。薄型スマホの中では、この弧の高さがμm単位で争われています。

ステップ⑥: 2ndボンドとテール切断 — 潰して、千切って、次へ

リード側に着地したキャピラリは、今度はボールなしでワイヤを直接押し潰します。キャピラリ先端の形状でワイヤが三日月状に潰れて接合されるスティッチボンドです。続いてワイヤクランプが閉じ、キャピラリが上昇してワイヤを引き千切る——このとき残る短い尻尾(テール)が、次のボール形成の材料になります。

テールの長さが狂うと次のボール径が狂う。つまり1本の終わり方が、次の1本の始まりの品質を決めます。毎秒十数本のリズムは、この連鎖が完璧に回り続けている証拠なのです。

ステップ⑦: 監視と検査 — 縫いながら、疑う

高速動作の裏で、装置は接合を1本ずつ監視しています。着地時の電気的な導通や変形量から「付いていない(ノンスティック)」を即座に検知し、発生すれば停止・警告。ロットの品質確認としては、ワイヤを引っ張って接合強度を測るプルテスト、ボールを横から押すシェアテストが抜き取りで行われます。全数の画像検査でループ形状・ボール位置も確認され、合格した基板は次のモールド工程(後工程の流れ)へ進みます。

ワイヤの世代交代と勢力図

ワイヤはかつて金一色でしたが、金価格の高騰で銅ワイヤへの置き換えが進みました。銅は安くて電気特性も良い一方、硬くて酸化しやすい。ボール形成を窒素・水素の保護ガス雰囲気で行い、パッドを傷めない荷重制御を磨く——安さの裏に技術のハードルがあります。装置メーカーはシンガポール系のK&SとASMPTの2強に、日本の新川(ヤマハロボティクスグループ)が続く構図。最先端はワイヤを使わないフリップチップやハイブリッドボンディングに移りつつありますが、世界の半導体の本数ベースでは今もワイヤボンドが多数派です。

✍️ ひとこと

調べていて印象に残ったのは、「終わり方が始まりを決める」連鎖です。テールの千切れ方が次のボールを決め、そのボールが次の接合を決める——0.1秒×何百本の品質は、実は1本ごとの「後始末」の積み重ねでした。

放電で球を作り、超音波で溶かさず接ぎ、空中で弧を成形する。ミシンに例えられる装置の針の先では、物理現象の三段活用が起きています。

— semisouchi.com 編集室

よくある質問

Q. なぜわざわざボールを作ってから接合するのですか?

A. 細いワイヤをそのまま押し付けても接触面積が小さく、強い接合が得られないためです。先端を球にすることで、パッドに押し潰したとき十分な接合面積と対称な形状が得られ、どの方向にワイヤを引き出しても均等な強度になります。

Q. キャピラリはどれくらいで交換するのですか?

A. セラミック製とはいえ、毎秒十数回ワイヤを擦り続けるため先端は徐々に摩耗します。打数(ボンド回数)で管理され、数十万〜百万回オーダーで交換されるのが一般的です。ダイシングのブレードと同じく、消耗品管理が品質管理に直結します。

Q. 超音波はなぜ接合に効くのですか?

A. 微振動が接合面の酸化膜や汚れを擦り破り、清浄な金属面同士を密着させるためです。摩擦による局所的な発熱・塑性変形も加わり、材料を溶かさないまま原子同士の結合(固相接合)が進みます。

Q. プルテストではどれくらいの強度が必要なのですか?

A. ワイヤ径や材質で基準は変わりますが、規格(MIL規格など)に基づく最低破断強度が定められ、フックでワイヤを引き上げて破断荷重と破断モード(どこで切れたか)を確認します。接合部で剥がれるのは不良、ワイヤ中央で切れるのは健全、といった切れ方の判定も重要です。

まとめ

  • ワイヤボンダは毎秒十数本・1本約0.1秒で配線を張る「超高速ミシン」。その0.1秒は放電→1stボンド→ルーピング→2ndボンド→テール切断の連鎖
  • 接合の原理は熱・荷重・超音波の三位一体で溶かさず繋ぐ固相接合。ボールは電気の火花で作る
  • ループはワイヤの折り癖を使った空中成形。高さと三次元経路がμm単位で設計される
  • テールの終わり方が次のボールを決める連鎖構造。ノンスティック即時検知とプル/シェアテストが品質を守る
  • 金→銅への世代交代、K&S・ASMPT・新川の勢力図。最先端はワイヤレス化が進むも、本数ではなお多数派

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