ワイヤーボンディング：現代の応用、技術トレンド、およびコストに関する考慮事項

はじめに

ワイヤーボンディングは、半導体ダイをパッケージリードフレームや回路基板に接続するための主要な方法として長らく支配的であり、特にチップ・オン・ボード（COB）技術では、ダイが直接PCB上に搭載される場合に多く用いられています。ワイヤーボンディングによるCOBは、その信頼性と大量生産におけるコスト効率の高さから、電卓や初期のデジタルデバイスなどの消費電子製品で人気を博しました。

時間が経つにつれて、ワイヤーボンディングCOBは、小型化と高性能化の要求に応えるために進化し、パワーLED、イメージセンサー、パワーエレクトロニクス、高性能コンピューティングなどのアプリケーションで重要な技術となりました。今日では、ワイヤーボンディングはマイクロエレクトロニクス業界における第一レベルの接続の75-80％を占め、コンパクトで高性能な設計において信頼性の高い接続を提供しています。

電子機器におけるワイヤーボンディングの現代的な応用

ワイヤーボンディングは、幅広い現代のアプリケーションで使用されており、柔軟性、信頼性、コスト効率を提供します。主な分野には以下のようなものがあります：

• 3D集積回路（IC）：3D ICでは、複数の半導体ダイが垂直に積み重ねられており、これらの層を接続するためにワイヤーボンディングが不可欠です。デバイスがよりコンパクトになるにつれて、高密度処理能力への需要が高まり、細かいピッチと高いピン数を管理するためにワイヤーボンディングが不可欠になっています。この技術は、高性能コンピューティング、先進的なモバイルデバイス、高密度デジタル電子機器にとって重要です。

ワイヤーボンドを使用した3D積層ダイ

• パワーエレクトロニクスとワイドバンドギャップ半導体：電気自動車や再生可能エネルギーシステムなどの高電力アプリケーションで使用されるシリコンカーバイド（SiC）や窒化ガリウム（GaN）などのワイドバンドギャップ半導体のパッケージングには、ワイヤーボンディングが不可欠です。これらの半導体は高電圧と高温で動作し、より高い電流負荷を処理し、効率的な電力管理を確保するために、しばしば太いゲージの銅ワイヤーボンディングが使用されます。

ワイヤーボンディングされたパワーモジュール（画像出典：Electronics Weekly, “Powering UP”, 2022年4月

• 光電子工学とイメージセンサー：イメージセンサーの解像度が高くなると、必要な接続数が劇的に増加し、細いワイヤーボンディングが不可欠になります。これらの高性能、高密度設計は、先進的な消費者向け電子機器、医療診断、セキュリティシステムにとって重要です。

CMOSイメージセンサーCOBとワイヤーボンド【画像出典：アルバータ大学、Sensors 2011に掲載】

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• チップ・オン・ボード（COB）LED： COB技術はLED設計で広く使用されており、より高いルーメン密度と改善された熱管理を提供します。ワイヤーボンディングにより、効率的な熱放散を持つコンパクトなLEDアレイが可能になり、自動車、産業、消費者向けアプリケーションでより明るく長持ちする照明ソリューションにつながります。

COB LEDアレイ（画像出典：CREE）

ワイヤーボンディングにおけるコストの考慮事項

ワイヤーボンディングは性能と空間効率の面で大きな利点を提供しますが、特に大規模生産の場合、コストは重要な要因です。ワイヤーボンディングのコストは、使用される材料の種類、アプリケーションの複雑さ、生産量など、いくつかの変数によって影響を受けます。

• 材料費：ワイヤーボンディングの材料費は大きく異なります。金ワイヤーボンディングは最も高価な選択肢で、0.8ミルワイヤーの場合、グラムあたり約349ドルです。しかし、銅やアルミニウムは、特に高い導電性と耐久性が必要なアプリケーションで、はるかにコスト効率の良い代替品を提供します。例えば、同じ直径のアルミニウムまたは銅のボンディングワイヤーは、金に比べてコストの一部で済むため、大量生産に理想的な選択肢となります。
• 製造費：ワイヤーボンディングマシンの費用は、その自動化のレベルによって異なります。手動または半自動のマシンは数万ドルの費用がかかり、小規模またはプロトタイプの生産に適していますが、完全自動のマシンは数十万ドルの費用がかかり、大規模生産には不可欠です。低ボリュームまたは非定常的な生産ランの場合、ワイヤーボンディングプロセスを外部の製造業者にアウトソーシングする方が、高価なワイヤーボンディング機器に投資する必要がなく、よりコスト効率が良いことが多いです。これらのサービスプロバイダーは、企業が高価なワイヤーボンディング機器に投資することなく、より手頃な解決策を提供できます。
• 生産量と工具費用：ワイヤーボンディングは、生産量が大きくなるほどコスト効率が良くなります。ワイヤーボンディング設定の初期工具費用は固定されていますが、生産がスケールするにつれて単位あたりのコストは減少します。年間数十万から数百万単位の高量生産では、COBデザインは標準的なパッケージチップを使用するよりもコスト効果が高い場合があります。これは、COBがダイのパッケージングを不要にし、組み立てコストを削減し、よりコンパクトな設計を可能にし、部品数を減らすからです。
• コスト内訳の例：1770 um x 1258 umのダイと21のワイヤーボンドを持つ基本的なCOBデザインの場合、コストは自動化のレベルと生産量によって大きく異なることがあります。ここに100単位の小ロットのための例の内訳を示します：
  • ワイヤーボンディングサービスと工具料金：$500（固定）;
  • ワイヤーボンディングプロセス（アルミニウムウェッジボンド）：$360;
  • 裸のダイコスト：単位あたり$115;
  • ENEPIG表面処理を施したPCB（50x50mm）：$590;
  • 梱包および送料：$50。
  100台の生産ランの総費用：$1,615。生産量が増えると、これらの費用は大幅に下がり、大規模製造においてCOBデザインをより手頃な選択肢にします。

コスト分析のための21ピンのダイ

Altium DesignerでのワイヤーボンディングCOBデザイン

結論

ワイヤーボンディングは、3D IC、パワーエレクトロニクス、COB LEDを含むさまざまなアプリケーションで、柔軟性とコスト効率を提供する現代電子機器において重要な技術です。材料と製造費用は、特に大量生産の場合には変動することがありますが、生産規模が拡大するにつれてワイヤーボンディングのコストメリットが明らかになります。技術が進化し続ける中で、ワイヤーボンディングは次世代の高性能電子デバイスを接続するために不可欠なものとして残ります。

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