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ワイヤボンディングの故障解析：様々な金属系における金属間化合物、腐食、および疲労

工場でのテストを完璧にクリアした半導体チップを考えてみましょう。このチップは電気自動車のバッテリー管理システムに使用され、長期間にわたって問題なく動作します。しかし、時折エラーが発生し始め、システム全体が完全に故障してしまいます。問題は、複雑な半導体設計にあるのではなく、劣化によって数本のワイヤボンディングが破損したことにあるのです。.
 
ワイヤボンディングの不具合 本質的には、ひっそりと進行する可能性がある。初期テスト段階では故障が検出されない場合もあるが、故障は大規模なリコールを伴う壊滅的な事態を引き起こす可能性があり、特に安全性に関わる業界では、 自動車産業, 宇宙探査、そして 医療機器. これらの不具合の根本原因を理解することは、単なる学術的な演習ではなく、製品の長寿命と信頼性を確保するための重要な学問分野です。.
 
本稿では基礎から始め、理解、分析、予防のための体系的なアプローチを紹介する。 典型的な配線不良 モードとメカニズム。.

金属間化合物（IMC）

金属間化合物とは、2つの異なる金属の接合段階で界面に生成され、その後加熱される結晶性物質を指します。2つの異なる金属によって生成される金属間化合物、例えば、 Au-AlとCu-Al, ワイヤボンディングに使用される金とアルミニウムは、信頼性に大きな影響を与えます。金とアルミニウムは、ワイヤボンディングの強度を高めます。 基材. しかし、温度やその他のパラメータによっては、許容範囲を超えて金属間化合物が生成され、特に高温時には性能低下を引き起こす可能性がある。.

IMCの3つの主要な故障メカニズム

脆化と破壊

IMCであるAuAl₂、Au₅Al₂、およびAu₄Alは、固有の硬度と脆性特性を示します。これらは延性特性を持たず、材料の熱膨張係数の違いによって生じる応力に耐えることができないため、これらの脆性特性によりIMC界面領域内に微小亀裂が発生し始めます。[1]

カーケンデール無効

これはより微妙で、潜在的に危険な状況です。2つの金属の拡散速度に大きな差があるため（例えば、金はアルミニウムよりもアルミニウム中で拡散速度が速い）、拡散速度の速い金属の表面に空孔が蓄積されます。これらの空孔は、後述するように、結合界面内の空隙へと発展します。.
 
接触面積の減少によって生じる抵抗の増加は、他の機能劣化の兆候がほとんどないまま、直接的に開回路につながる可能性があります。これは、これらの空隙によって経路自体の抵抗が非常に高くなるためです。[2]

「“紫の疫病”「再訪」

「紫の疫病」とは、化合物AuAl₂の紫色を指す特定の表現である。この色は非常に特徴的だが、この化合物の問題点は、実際にはその脆性とカーケンデール空隙との関連性にある。これは、材料の不適合性に関する古典的な事例研究として今もなお語り継がれている。.

IMCの成長を加速させる要因：

金属間化合物の成長は拡散律速過程であり、アレニウスの式によれば主に温度と時間に依存する。成長過程に影響を与える最も重要な要因は以下のとおりである。
  • 温度： これが最も重要な要素です。設計仕様をわずかに上回る温度でも、IMC（金属間化合物）の成長が指数関数的に増加する可能性があります。.
  • 時間： 高温環境に長期間さらされること。ただし、これは中程度の高温の場合もある。.
  • 電流密度: 高電流は電気泳動を引き起こし、原子の拡散や空隙の形成に大きく寄与する。.

腐食

腐食とは、周囲の環境と金属との化学反応によって金属が徐々に破壊される現象です。ワイヤボンディングによる腐食は、ボンディング界面の強度低下、電気抵抗の増加、および断線を引き起こす可能性があります。腐食に影響を与える要因には、以下のようなものがあります。
 
  • 環境条件： 温度、湿度、および腐食性ガス（H₂S、SO₂、Cl₂）の存在。.
  • 汚染物質： 塩化物や臭化物などの製造工程で生じるイオン性残留物。.
  • 電気的バイアス： 印加電圧は、電気化学的移動反応や腐食反応を引き起こす可能性がある。.
  • 素材の特性： 使用されている電線およびパッド材料が本来持つ耐腐食性。.

ワイヤボンディングにおける腐食の種類

半導体パッケージングエンジニアにとって、腐食の種類を理解することは、故障解析や信頼性設計（DFR）の観点から不可欠です。.
これは、ワイヤボンディングにおける最も重要な6つの腐食メカニズムと、それぞれの原因および影響を示す表です。
ワイヤボンディングに関連する6つの主要な腐食メカニズム

ガルバニック腐食（電気化学的腐食）：

  • 原因： これは、アルミニウムと金など、2種類の異なる金属が、イオン汚染のある水分などの電解質溶液中で接触した際に起こります。貴金属度が低い方の金属が腐食します。.
  • ワイヤボンディングの故障モード： 金線をアルミニウムパッドに接合した場合、アルミニウムパッドが犠牲腐食を起こし、非導電性の酸化層が形成されます。これにより抵抗値が上昇し、結果として接合不良が発生します。これは、アルミニウムパッドと金線の組み合わせにおいて重大な問題となります。.

孔食：

  • 原因： 金属表面の酸化膜が部分的に失われることによって引き起こされる局所的な攻撃であり、一般的には塩化物イオンによって引き起こされる。.
  • ワイヤボンディングの故障モード： 銅線接合部は、ある種の塩化物汚染物質がワイヤにピット（穴）を形成し、そこに応力集中点が生じて亀裂が発生し、最終的に温度変化によってワイヤが断線する可能性があるため、破損する可能性がある。.

隙間腐食：

  • 原因： 汚染粒子の下や電線と電極間の接着不良領域など、遮蔽され停滞した領域における局所的な攻撃の一種。 モールドコンパウンド.
  • ワイヤボンディングの故障モード： これらの微細な隙間に水分が閉じ込められると、酸性で腐食性の高い環境が形成されます。これは、発生した酸性度によってワイヤボンディング界面が腐食するためです。その結果、検査時には見えないワイヤの付け根部分が弱くなり、故障が発生する可能性があります。.

粒界腐食（IGC）：

  • 原因： 金属の結晶粒界に沿って優先的に発生する腐食現象。多くの場合、不純物の偏析によって生じる反応性が原因となる。.
  • ワイヤボンディングの故障モード： これは、金属化技術が完全に最適化されていない場合、アルミニウムボンドパッドで発生する可能性があります。ボンドパッド自体がIGCによって劣化し、ボンドの剥離や パッドのクレーター形成.

応力腐食割れ（SCC）：

  • 原因： 引張力と腐食環境が組み合わさることで、材料中の脆性亀裂が進行する。.
  • ワイヤボンディングの故障モード： 応力腐食割れ（SCC）は、発生頻度は低いものの、プレストレスをかけたワイヤボンディング、特に封止材や製造工程に起因する残留応力が高いパッケージにおいては懸念事項となり得る。腐食環境下では、ワイヤはわずかな伸びを伴いながら、脆性破壊モードで突然破損する可能性がある。.

均一腐食：

  • 原因： 酸化などの一般的な化学的攻撃が、金属の表面全体に均一に及ぶこと。.
  • ワイヤボンディングの故障モード： これは、アルミニウム線では酸化アルミニウムが徐々に成長することで見られ、その結果、電線の電気抵抗が増加します。また、銅線では酸化銅の層が形成され、これも導電性や接着性を低下させる可能性があります。.

材料の種類と それらの腐食特性 ワイヤボンディングにおいて

ワイヤボンディングの腐食は、湿気、温度、硫黄や塩素などの汚染物質の存在といった環境要因によって引き起こされます。.
金属の種類によって腐食環境下での性能は異なるため、どの金属を選択するかは考慮すべき重要な要素となる。.
 
  • 金（Au）これは、不安定な可能性のある他のアルミニウム金属と組み合わせられることがあります。これは、これらの金属が水分と接触すると、最終的に接合界面を腐食させるためです。.
  • アルミニウム（Al）： これは、水分や他の金属が存在するとガルバニック腐食を起こしやすい。酸化皮膜はアルミニウムと金属の接合強度を低下させる可能性がある。酸化皮膜は接合時の電気的性能に影響を与える。.
  • 銅（Cu）銅は酸化物としての性質を持ち、大気中の水分や硫黄といった過酷な条件下では硫化物を形成しやすい。たとえ酸化銅が形成されたとしても、硫化物は特に水分が存在する場合、接合不良の他の原因となる可能性がある。酸化銅は、接合界面自体の信頼性に関して問題となる。.
  • 銀（Ag）： 硫黄化合物の形成により変色しやすく、その結果、硫化銀層が形成され、結合抵抗値が上昇する。硫黄化合物の濃度が高いと変色が急速に進むため、試験環境において制限を設ける必要がある。.

 

素材主な利点主な課題信頼性要因
アルミニウム費用対効果が高く、簡単に接着できる金との金属間化合物、中程度の腐食軽度の腐食、疲労
ゴールド延性があり、耐腐食性がある高価なアルミニウムとの金属間化合物優れた疲労強度、低腐食性
銅高導電性、低コスト腐食しやすく、接着が難しい高い腐食リスク、硬化
シルバー優れた導電性、高い信頼性限られたデータ、汚損中程度の腐食、疲労は実証されていない

機械的疲労および熱疲労

疲労破壊は、材料の極限引張強度をはるかに下回るものの、材料内部に亀裂を発生・伝播させるのに十分な周期的な応力によって発生する。.
 

かかとのひび割れ

これは典型的な疲労破壊の例です。ワイヤボンディングのヒール部分、つまりワイヤがボールまたはウェッジに接する部分は、応力が集中しやすい箇所です。.
  • 根本原因：熱サイクルによってシリコンチップ、ボンディングワイヤ、基板の熱膨張係数に差が生じることで相対的な動きが発生します。この周期的な動きにより、ワイヤのヒール部分に周期的な曲げ応力が作用し、最終的にワイヤヒール部分に微小亀裂が発生し、典型的な故障モードとなります。.

ネックブレイク（ボールボンズ）：

かかとのひび割れと同様に、周期的な疲労傾向を示す二次的な箇所は、ワイヤーがボールボンドから離れる部分であり、しばしば「ネック」と呼ばれる。.
 

クレーター形成：

これは、ボンディングパッドとシリコンに悪影響を及ぼすため、非常に重要な故障モードです。これは、過剰な超音波エネルギーまたはボンディング力によって、ボンディングプロセス中に基板からシリコン材料の一部が除去されることが原因です。この故障モードは、即時故障の場合もあれば、潜在的な故障の場合もあります。.

ワイヤボンディングにおける故障解析

体系的な故障解析を行うには、構造化されたアプローチが必要です。以下のフローチャートは、その手順を示しています。
ワイヤボンディングの不具合解析フローチャート

非破壊分析（NDA）：

  • 電気テスト: これは、故障の種類（断線、高抵抗、短絡）を特定し、欠陥のあるネット／ボンドを分離するのに役立ちます。.
  • X線 イメージング： ワイヤのずれ、断線、短絡、ボール/ウェッジの不規則性などの内部欠陥は、パッケージを開封せずに検出できます。.
  • Cモード走査型音響顕微鏡（C-SAM）： この検査では、超音波探傷法を用いて、特にモールドコンパウンドとチップまたはリードフレームとの界面における、パッケージ内部の剥離、内部亀裂の痕跡、および空隙を検出します。.

破壊物理分析（DPA）：

  • カプセル化解除： ダイボンドとワイヤボンドを確認するために、化学薬品やプラズマを用いてモールドコンパウンドを除去する工程。.
  • 光学顕微鏡： 初め 目視検査 故障箇所を特定し、変色、接着部の剥離、断線などの特性を明らかにすることを目的としている。.
  • 走査型電子顕微鏡（SEM）： これにより、破壊箇所の詳細かつ高倍率の画像が得られ、延性材料と脆性材料の破壊や微細な空隙経路の研究において重要な基準となります。[3]
  • エネルギー分散型X線分光法（EDS）： 走査型電子顕微鏡（SEM）と併用して、特定領域の元素組成分析を行います。金属間化合物（Au-Al比）、腐食生成物（アルミニウムと酸素、銀と硫黄）、イオン性汚染物質（塩素、カリウム）の存在を確認するための重要なツールです。.

ワイヤボンディングにおける腐食抑制技術

ワイヤボンディングの信頼性を向上させる方法はいくつかあります。

素材の選定と組み合わせ：

  • 高信頼性においては Au-Al ワイヤボンディング以外のものを使用し、, 高温用途. これには、アルミニウム同士の接合や、アルミニウムの酸化や腐食に対する保護性能が高いため、裸銅線の代わりにパラジウム被覆銅線を使用することなどが含まれる。.
  • イオン汚染が少なく、吸湿率の低い防カビ剤を使用してください。.

プロセス最適化：

  • 接合力、エネルギー、時間、温度に関して、強固な接合を形成できるような適切なプロセス範囲を設定することで、ウェーハに損傷を与えることなく、また初期の金属間化合物の成長を最小限に抑えながら、強固な接合を実現できる。.
  • イオン汚染や湿気への曝露から製造環境を厳密に管理する。.

保護バリア：

  • 用途 保護コーティング 例えば、ボンドパッド上では、, 無電解ニッケル/無電解パラジウムイマージョンゴールドは、平滑で耐腐食性があり、接着性に優れた表面を提供します。.
  • 湿気や汚染物質に対して、気密性またはほぼ気密性の高いシールによる強力なカプセル化プロセスを確保してください。.

信頼性設計（DfR）：

  • ワイヤーループの形状を最適化して、かかと部分の接着応力を低減する。.
  • 接着パッドの設計規則を満たし、強固な接着基盤を確保する必要がある。.

結論

ワイヤボンディングにおける故障モード、すなわち金属間化合物の成長、腐食、および疲労破壊は、しばしば同時に発生する。金属間化合物のわずかな成長による故障は、腐食を伴って進行し、最終的には疲労破壊に至る可能性がある。.
 
今日の競争の激しい半導体業界において、事後的な故障解析モードから、事前的な「設計段階からの信頼性」アプローチへの移行は極めて重要である。.
 
故障メカニズムを理解することは、展開のはるか前に、材料やワイヤボンディング設計に関する設計レベルの意思決定に役立ちます。ワイヤボンディングの種類、材料、および関連プロセスに関する基本的な理解については、基礎記事を参照してください。

ワイヤボンディング：プロセス、材料、設計選択に関する究極ガイド

ワイヤボンディングの不具合に関するよくある質問

銅は酸素や硫黄化合物と反応しやすく、腐食しやすい性質があります。特に銅の結合部は腐食しやすく、湿度や汚れなどの環境要因に接触すると顕著になります。異種金属が混入すると、ガルバニック腐食が発生する可能性があります。.

金と銅は、その優れた導電性から、高出力・高周波用途のワイヤボンディング材として一般的に使用されています。銀は変色しやすい性質があるため、高周波・高出力用途のボンディング材としては用途が限られています。しかし、最終的にはコスト、導電性、環境条件下での安定性を考慮して材料を選択する必要があります。.

ワイヤボンディングの不具合は、特にバッテリー管理システムにおける腐食や疲労の場合にリスクとなり、電気自動車の短絡や過熱を引き起こす可能性があり、世界的な再生可能エネルギー輸送への移行によって悪化している航続距離への不安や安全性の問題の一因となる。. 

材料の加熱と冷却によって材料が膨張・収縮し、接合界面に機械的応力が発生します。熱サイクルによって疲労亀裂、ヒール部の破損、または接合部の剥離が生じ、接合部の機械的完全性が損なわれる可能性があります。.

参考文献：
[1] ハーマン、G. (2010)。. マイクロエレクトロニクスにおけるワイヤボンディング （第3版）。マグロウヒル・プロフェッショナル。.
[2] Su、B.、Qu、J.、および Pecht、M. (2019)。. 銅線ボンディング. シュプリンガー。.
[3] Lai, Z.、Mei, Y. (2018)。. 先進的なワイヤボンド相互接続技術. シュプリンガー。.

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