チップは金の糸で縫われていた——1秒に20本、髪の毛の4分の1の線を張る「ボンディング」工程

なぜ切り出したばかりのチップは、まだ使えないのか

「前回」は、ウェハーを1枚ずつのチップに切り分けるダイシング工程でした。チップの上には完成した回路が載っています。それでも、このチップはまだ何もできません。チップの表面に並ぶ電極（パッド）は一辺0.1mm以下しかなく、私たちの世界の基板やコネクタとはスケールが違いすぎて、直接つなぎようがないのです。

そこで必要になるのが、チップと外の世界の間の「橋」を架けるボンディング工程です。最初のステップがダイボンディングです。チップ（ダイとも呼びます）を、リードフレーム（チップを載せて外部端子まで電気を導く金属の骨組み）や樹脂の基板に接着して固定します。EE Times Japanの解説によると、接着には銀の粒を混ぜた導電性接着剤「銀ペースト」や、フィルム状の接着剤（DAF）が使われます。

ダイボンディングは単なる「のり付け」ではありません。チップの位置が数µmずれれば次の配線工程が失敗しますし、接着層はチップの熱を土台へ逃がす通り道にもなります。座る場所を固定して、初めて次の「配線」に進めます。

ワイヤボンディングは、どうやって1秒に20本も「縫う」のか

チップの電極と外部端子をつなぐ主役が、ワイヤボンディングです。まず、チップが土台に載り、線が1本ずつ張られていく様子を3Dモデルで見てください。

手順はミシンによく似ています。キャピラリという細い筒状の針の先からワイヤを繰り出し、先端を放電で溶かして小さなボールを作ります。このボールをチップの電極に押し当て、熱と超音波と荷重を同時にかけて接合します。

そのまま針が弧を描いて外側の端子へ移動し、ワイヤを押し付けて切る。これで1本完成です。この針の上下運動を延々と繰り返して、チップの周囲をぐるりと縫っていきます。

驚くべきはその速さと細さです。最新のワイヤボンダは毎秒20〜25本以上を接合し、ワイヤの直径は金線で15µm以下、銅線でも25µm程度——髪の毛の4分の1ほどしかありません。ワイヤの材質は金・銀・銅の3系統で、高価な金から安価な銅への置き換えが進みました。ただし銅は酸化しやすいため、表面を貴金属のパラジウムで覆った「PCCワイヤ（パラジウム被覆銅ワイヤ）」が使われます。

フリップチップは、何をひっくり返しているのか

ワイヤボンディングには構造上の限界があります。線を張れるのは基本的にチップの縁に沿った電極だけで、端子が数百〜数千本に増えると、縁だけでは足りなくなるのです。そこで生まれたのが、発想を180度——文字どおり物理的に——ひっくり返したフリップチップです。

イデアシステムの技術解説によると、フリップチップではまずチップの電極の上にバンプと呼ばれる金属の粒（ハンダや銅など）を格子状に形成します。次にチップを裏返し（フリップし）、バンプを基板の電極に位置合わせして押し当て、炉で加熱してすべての接点を一度に接合します。1本ずつ縫う代わりに、全部まとめてハンコを押すイメージです。

利点は3つあります。配線が線ではなく粒なので接続距離が短く、信号の劣化が少ないこと。チップの縁だけでなく全面を接点にできるため、数千ピンの多端子チップに対応できること。そしてワイヤ用のスペースが不要になり、チップとほぼ同サイズまでパッケージを小さくできることです。

スマホのSoCやGPUといった高性能チップは、ほぼこの方式で組み立てられています。さらに先端では、バンプの粒すら捨てて銅の電極同士を直接貼り合わせる方式へ進化しています。その話は「「はんだバンプを捨てたら、チップ間の配線密度が100倍になった」」で詳しく解説しています。

ワイヤとフリップチップは、どう使い分けられているのか

2つの方式は、どちらかが勝ち残ったわけではなく、いまも役割分担で共存しています。

安く確実につなぎたいならワイヤ、性能と密度を極めたいならフリップチップ。この使い分けを実際に手を動かして担うのが、組み立てとテストの専門企業OSATです。

全体像は「「微細化の限界を「組み立て方」で超える話」」で解説しています。最大手の分析は「「チップを”組み立ててテストする”世界最大の会社、台湾のASE」」と「「ASEに次ぐOSAT世界2位、Amkorの先端パッケージ」」をどうぞ。

ボンディングの装置と材料は、どの会社が支えているのか

装置の筆頭は、香港・シンガポールに本拠を置くASMPTです。半導体の組み立て・パッケージング装置の分野で、2002年以来、世界首位を守り続けています。ダイボンダからワイヤボンダ、フリップチップ、さらに先端のTCB（熱圧着ボンディング）まで、ボンディングのフルコースを揃えているのが強みです。

米国のKulicke & Soffa（K&S）は、ボールボンディング・ウェッジボンディングからTCB・先端パッケージングまでを手がけるワイヤボンダの老舗大手です。そして日本勢の代表が新川です。現在はヤマハ発動機系のヤマハロボティクスホールディングス傘下となり、「SHINKAWA」ブランドとして1000分の1ミリの世界でチップとリードフレームをつなぐボンダーを作り続けています。

後工程装置の全体像は「「後工程装置とディスコの記事」」で整理しています。

材料側は、さらに日本勢の独壇場です。ボンディングワイヤでは、田中貴金属グループの田中電子工業が世界シェア約40%を握り、常にトップを走っています。日本製鉄系の日鉄マイクロメタルは、パラジウム被覆銅ワイヤ（PCCワイヤ）で世界市場のデファクトスタンダードの地位を確立したリーディングカンパニーです。1秒に20本張られるあの細い線は、その大部分が日本の工場で引き抜かれています。

これでチップは土台に座り、外の世界への配線も済みました。しかし、まだ裸のままです。次回は、つないだチップを樹脂で丸ごと包み込み、壊れない「黒い部品」に仕上げる封止（モールド）の工程を歩きます。半導体そのものの基礎から知りたい場合は「「半導体とは何か」」を参照してください。