今回のテーマは、
「チップの小さな端子は、どうやって外の端子につなぐのか」
答え：細い金属線で1本ずつつなぐ方法（ワイヤボンディング）と、チップを裏返してはんだの玉で基板に直接つなぐ方法（フリップチップ）があります。つなぎの長さ、端子の数、費用の違いで使い分けます。
この記事でわかること
- ① 接続の考え方
- ② ワイヤボンディングの手順
- ③ ワイヤの材料と太さ
- ④ フリップチップ
- ⑤ 2つの比べ方
※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。
① 接続の考え方：チップの端子から、外の端子へ
大事なポイント：チップのパッドを外の端子につなぐ方法には、細い線でつなぐ方法と、はんだの玉で直接つなぐ方法があります。
第2講で、チップは台の上に固定されました。次の仕事は、チップのパッドと、パッケージの外へ出る端子を、電気でつなぐことです（第1講の「電気の出入口」です）。この作業をボンディング（接続）とよびます。方法は、大きく2つあります。
- ワイヤボンディング：チップの表面を上に向けて置き、細い金属線（ワイヤ）で、パッドと端子を1本ずつつなぎます。
- フリップチップ：チップをひっくり返して（フリップして）、表面を下にします。パッドにつけたはんだの玉（バンプ）で、真下の基板へ直接つなぎます。
なぜ、2つの方法があるのでしょうか。理由は、つなぐ本数、速さ、費用で、向き不向きがあるためです。ワイヤは、線が横に出るので、パッドはチップのふちに並べるのがふつうです（一般的な説明です）。これに対して、フリップチップは、チップの面全体にバンプを並べられます。参考にした資料にも、フリップチップは、チップが基板に直接載るので、組み立てがずっと小さくなると書かれています。ワイヤは「線でつなぐ」、フリップチップは「面でつなぐ」と覚えます
次の節から、それぞれの方法をくわしく見ます。
確認クイズ：フリップチップでは、チップの表面はどちらを向きますか？
答え：下です。チップをひっくり返して、バンプで基板に直接つなぎます。
② ワイヤボンディングの手順：ボールとループ
大事なポイント：細い管の先でワイヤの先端をボール状にして、パッドに押しつけ、ループを描いて端子につなぎます。
ワイヤボンディングで最も広く使われるのは、ボールボンディングです。細い管（キャピラリ）の中にワイヤを通し、手順は次のとおりです。
- ワイヤの先端を熱でとかして、小さな玉（ボール）にします（一般的な説明です）。
- ボールをパッドに押しつけ、圧力、超音波、熱を加えて、金属どうしをつけます。
- ワイヤを繰り出しながら、ループを描くように、端子の上へ動かします。
- 2点目は、ワイヤをつぶすように押しつけて付け、そのまま引いて切ります。
参考にした資料によると、熱と超音波を合わせる方法を、サーモソニックボンディングとよびます。熱は金属をやわらかくし、超音波は、表面の汚れをこすり落としながら金属を結びつける助けをします（一般的な説明です）。
1点目がボールなのは、なぜでしょうか。資料によると、丸いボールなら、ワイヤをどの方向へでも引き出せるので、作業が速くなります。これに対して、ボールをつくらず、くさび形の道具でつぶし付けるウェッジボンディングは、1点目から、ワイヤを一直線に引く必要があり、道具の向きを合わせる分だけ遅くなります。そのかわり、太い線やリボンも扱えるので、電力の大きな部品に使われます。速さが必要な細い線にはボール、太い線にはウェッジ、と使い分けます
確認クイズ：ボールボンディングが、ウェッジボンディングより速い理由は何ですか？
答え：1点目が丸いボールなので、ワイヤをどの方向へでも引き出せ、道具の向きを合わせる手間が少ないからです。
③ ワイヤの材料と太さ：金、銅、アルミ
大事なポイント：ワイヤは、金、銅、アルミなどでつくります。細さと流せる電流のつり合いで、材料と太さを選びます。
参考にした資料によると、ワイヤの材料は、アルミ、銅、銀、金です。主なものを見てみましょう。
- 金：ボールボンディングに使われます。細いものでは直径8µmから使われ、太さの誤差は±3%ほどとされています。金は価格が上がったため、銅への切りかえが進んでいます。
- 銅：細いボールボンディング（直径10〜75µm）にも、太いウェッジ（500µmまで）にも使われます。金より大きな超音波の力が要ります。また、腐食を防ぐため、窒素95%・水素5%の混合ガスの中で扱います。
- アルミ：電流が大きい部品でない限り、合金のアルミがよく選ばれます。電力用のパッケージでは、250〜400µmのアルミのウェッジ線が使われます。
太さの違いは、流せる電流の違いです。細い線は、電流が流れにくく、熱も持ちやすくなります。大きな電流を扱う電力用の部品が、太い線を使うのはそのためです。なお、線の太さには、mil（ミル）という単位もよく使われます。1milは1000分の1インチで、約25.4µmです。資料では、直径75µm（3mil）までを、細線としています。
ワイヤボンディングには、特有の不良もあります。業界誌の資料によると、つなぎ目が浮く、樹脂を流して封止するときにワイヤが流れて隣とふれる、強く押しすぎてパッドの下にひびが入る、などがあります。また、金のワイヤとアルミのパッドの組み合わせでは、金とアルミの合金ができ、接続が弱くなる不良（パープルプレイグ）があります。ワイヤは、電気、材料の値段、つなぎやすさで選びます
確認クイズ：大電流を流す電力用の部品では、どのようなワイヤが使われますか？
答え：太いワイヤです。たとえば、250〜400µmのアルミのウェッジ線が使われます。
くわしく見る：ワイヤの太さと電気抵抗を計算する
ワイヤの電気抵抗は、抵抗 ＝ 抵抗率 × 長さ ÷ 断面積で求められます（一般的な式です）。長いほど、細いほど、抵抗が大きくなります。
例として、金（抵抗率は約2.2×10⁻⁸ Ω·m、一般的な値です）で、長さ2mm、直径25µmのワイヤを考えます。断面積は π × (12.5×10⁻⁶)² ≒ 4.9×10⁻¹⁰ m² なので、
2.2×10⁻⁸ × 2×10⁻³ ÷ 4.9×10⁻¹⁰ ≒ 0.09Ω
0.5Aの電流なら、電圧の下がりは 0.5 × 0.09 ≒ 0.045V です。直径を2倍の50µmにすると、断面積は4倍になるので、抵抗は4分の1（約0.022Ω）になります。長さと太さは仮の値で、実際のワイヤは、つなぎ目の抵抗なども加わります。
④ フリップチップ：バンプで面ごとつなぐ
大事なポイント：パッドにはんだのバンプをつけ、チップを裏返して基板に載せ、熱で溶かしてつなぎます。
フリップチップの手順は、次のとおりです。参考にした資料にもとづきます。
- バンプをつける：チップのパッドの上に、はんだの玉（バンプ）をつくります。多くは、ウェハのまま、めっきなどでつけ、熱でとかして丸く整えます。バンプの直径は、75〜500µmほどです。そのあと、チップを切り出します。
- 反転して載せる：チップを裏返し、バンプを基板のパッドに合わせて置きます。
- 熱でつなぐ：全体を熱し、はんだをとかして（リフロー）、固めます。これで電気がつながります。
- アンダーフィル：チップと基板のあいだに、すき間が残ります。ここへ、電気を通さない樹脂を流し込みます。
アンダーフィルが必要なのは、なぜでしょうか。資料によると、機械的に強くする、熱を伝えやすくする、そして、チップと基板の熱による伸び方の違いで生じる力を受け止めて、はんだのひび割れを防ぐ役目があります。チップ（シリコン）と基板は、温度が変わると、伸び方が違うので、すき間に樹脂がないと、バンプに力が集まります。この仕組みは、第5講の温度サイクルで、もう一度出てきます。フリップチップは、バンプで「つなぐ」だけでなく、樹脂で「支える」ことも必要です
確認クイズ：フリップチップで、すき間に樹脂（アンダーフィル）を入れる理由を1つ答えてください。
答え：熱による伸び方の違いで生じる力を受け止め、バンプのひび割れを防ぐためです。ほかに、強くする、熱を伝えやすくする、でも正解です。
⑤ 2つの方法の比べ方：何が違うのか
大事なポイント：フリップチップは短く速く、ワイヤは扱いやすさと実績が強みです。目的で使い分けます。
2つを、並べてみます。
- つなぎの長さ：フリップチップは、チップの真下で短くつなぎます。資料によると、つなぎが短いと、インダクタンスが小さくなり、速い信号に向きます。熱も、短い道を通って逃げやすくなります。
- 端子を置ける場所：ワイヤは、パッドをふちに並べるのがふつうです。フリップチップは、面全体に並べられるので、同じ大きさのチップで、より多くの端子をつくれます。
- 大きさ：フリップチップは、ワイヤのための場所が要らないので、全体が小さくなります。
- 扱いやすさ：ワイヤは、実績が長く、工程や装置がそろっています。1本ずつ打つので、チップが変わっても、プログラムを変えれば対応できます（一般的な説明です）。
どちらが優れているかではなく、何を重視するかで決まります。たとえば、携帯機器のような小型の製品や、速い信号を扱うプロセッサは、フリップチップに向きます。端子が少なく、費用を抑えたい部品や、大電流の電力用部品は、ワイヤが使われます（一般的な説明です）。次の第4講では、この接続を使った、パッケージの形のちがいを学びます。小さく・速く・多くの端子がほしいときはフリップチップ、実績と扱いやすさならワイヤ
確認クイズ：速い信号を扱うとき、フリップチップが有利とされる理由は何ですか？
答え：つなぎが短く、インダクタンスが小さいからです。
くわしく見る：端子の数を比べる（考え方の例）
10mm角のチップで考えます。ワイヤボンディングで、パッドをふちだけに、0.1mm（100µm）間隔で並べるとします（仮の値です）。ふちの長さは 10 × 4 ＝ 40mm なので、
40 ÷ 0.1 ＝ 400個
フリップチップで、面全体に0.2mm間隔でバンプを並べるとします（これも仮の値です）。縦にも横にも 10 ÷ 0.2 ＝ 50個並ぶので、
50 × 50 ＝ 2,500個
です。間隔が2倍でも、面で並べると、端子は約6倍（2,500 ÷ 400 ≒ 6.25）になります。実際の間隔は、技術や用途で変わります。
安全のひとこと：ボンディングやリフローの装置は、チップや基板を加熱します。加熱した台やはんだは高温なので、触れてやけどをしないように注意します。銅のワイヤの工程では、水素を含む混合ガスを使うことがあり、火気や換気の決まりを守ります。はんだや樹脂（アンダーフィル）、洗浄用の薬品は、肌に付けたり、蒸気を吸ったりしないようにします。取り扱いは、必ず職場の決まりに従います。
この講のまとめ
チップと外の端子をつなぐ方法は、細い線でつなぐワイヤボンディングと、はんだの玉でつなぐフリップチップです。
ワイヤは、金・銅・アルミがあり、電流の大きさと費用で選びます。フリップチップは、バンプで面ごとつなぎ、すき間を樹脂で支えます。
フリップチップは短く速く多くの端子をとれ、ワイヤは実績と扱いやすさが強みです。
次の第4講では、こうしてつないだチップを包む、パッケージの形のちがいと、新しい組み立ての考え方を学びます。
ことばのおさらい
- ボンディング：チップのパッドと、外へ出る端子を電気でつなぐ作業です。
- ワイヤボンディング：チップの表面を上にして、細い金属線でパッドと端子をつなぐ方法です。
- ボールボンディング：1点目をボール状にして付ける、ワイヤボンディングの方法です。
- フリップチップ：チップを裏返して、はんだのバンプで基板に直接つなぐ方法です。
- バンプ：パッドの上につくる、はんだなどの小さな玉です。
- アンダーフィル：チップと基板のすき間に流し込む、電気を通さない樹脂です。
よくある誤解
Q. ワイヤは、金でなければならないのですか？
いいえ。金は価格が上がったため、銅への切りかえが進んでいます。大電流の部品では、太いアルミのワイヤもよく使われます。
Q. フリップチップは、ワイヤボンディングの上位互換ですか？
いいえ。短く速くできますが、バンプの形成やアンダーフィルなどの工程が必要です。ワイヤは、実績が長く、扱いやすい面があります。目的で使い分けます。
参考にした公式情報
- Wikipedia「Wire bonding」（材料、直径、ボールとウェッジの違い、サーモソニック）
- Wikipedia「Flip chip」（バンプ、リフロー、アンダーフィル、ワイヤとの比較）
- 業界誌（Semiconductor Digest）の記事（ワイヤボンディングの不良（浮き、ワイヤ流れ、クレータリング、パープルプレイグ））
- Wikipedia「Semiconductor device fabrication」（接続方法の種類）
ワイヤの長さ2mm・直径25µm、金の抵抗率2.2×10⁻⁸ Ω·m、端子の間隔（0.1mm、0.2mm）は、理解のために置いた仮の値または一般的な値です。ボールの作り方（熱でとかす）、超音波の働き、ワイヤの向き不向きの比べ方は、一般的な知識にもとづく説明です。図は、記事用に描いた簡易の図です。
