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先進的なパッケージング技術は現在、ムーアの経済法則を拡張する上で極めて重要な役割を果たしています。これは、新しい各トランジスタ ノードのモノリシック設計に伴う速度向上を達成しながら、増加する製造コストと電力管理の問題を克服するのに役立ちます。
高度なパッケージング技術を分類するにはいくつかの方法があります。定義は業界全体で一貫して適用されていません。一般に、ファンアウト ウェーハ レベル パッケージング (FOWLP)、2.5D、3D-IC、およびシステムインパッケージ (SiP) が含まれます。ただし、通常、WLCSP、FCBGA、および FCCSP も一部の市場調査に含まれます。現在、チップ パッケージの大部分 (>70%) は依然としてワイヤ ボンディングを使用して組み立てられていますが、高性能製品のフリップ チップ パッケージへの移行傾向は加速しており、2.5D/3D および SiP パッケージと同様に高い市場成長率を享受すると予想されています。今後数年以内に。
チップレット パッケージング アプローチを使用すると、異なる設計ノードで個別の機能を持つ複数のダイを組み立てて、統合されたモジュール レベルのパフォーマンスを実現できます。図 1 および 2 に示すように、特定の配線機能の仕様に合わせて検討できるさまざまなテクノロジがあります。材料の選択は、物理的特性、加工条件、設計ルールによって制限され、個々のケースで異なります。パッケージの配線密度が増加すると、基板材料セットの使用にも変化が生じます。有機基板からシリコンベースのキャリアへのこの移行は、リソグラフィーツール、レチクルサイズ、そして最も重要な材料の物理的特性や処理温度階層などのいくつかの要因の影響を受けます。
図 1. さまざまな配線機能に対応するテクノロジー (HIR 2021 年版)
図 2. 高度なパッケージング タイプの概要 (概要)
異種統合を行うためにシリコン インターポーザーを使用するハイ パフォーマンス コンピューティング (HPC)、2.5、および 3D パッケージングは、業界で広く採用されています。サイズとパッケージの高さによって制限されるモバイル コンピューティングの場合、相互接続するアプリケーション プロセッサ、メモリ、センサー、受動部品などによってパッケージ オン パッケージ (PoP) アセンブリが採用され、サブシステムまたはシステム レベルのモジュールが構築されます。パッケージ間の接続を実現するには、はんだバンプ、TMV (Through Mold Via)、Cu ポスト (例、TSMC の Through-InFO-Via TiV)、アレイによるボンド (BVA)、自立銅などのさまざまな方法が使用されます。ワイヤーなど
上記のかなり複雑な構造を構築するには、多くの材料が必要です。これらには、フォトレジスト、接合フィルム、はんだフラックス、一時的な接合用のガラスおよび金属キャリアウェハなどのプロセス関連の間接材料が含まれます。パッケージ内のさまざまな相互接続スキームを完成させるために、感光性 RDL (再配線層) を含む一連の重要な直接材料が含まれます。高密度実装要件を満たすために、材料、ダイアタッチフィルム、応力緩衝コーティング、ビルドアップフィルム、はんだペースト、基板、mSAP Cu、はんだマスクなどが開発されています。
はんだバンプ接続を例にとると、フリップチップパッケージは、高融点アルファ粒子放出フリーの錫/鉛はんだから、鉛フリーのSAC(Sn/Ag/Cu)および錫/銀(Sn/Ag)合金に移行しました。現在、銅対銅のハイブリッド ボンディング プロセスが使用され、ダイ対ダイ接続やウエハ対ウエハ接続などのシリコン レベルでのファインピッチ ボンディングが可能になりました。低温接合プロセスを目的として、インジウム (In) およびビスマス (Bi) を含む合金が、温度に敏感なデバイスの接続に使用されています。
フリップチップアンダーフィルは、熱サイクル中にシリコンダイとキャリア間のCTE（熱膨張係数）の不一致によって引き起こされるはんだバンプ接続への機械的ストレスを軽減することで、信頼性を確保しながら保護を提供します。通常、配合物はエポキシまたはシアン酸エステル熱硬化性樹脂をベースにしています。材料の CTE と弾性率を制御するには、充填材料をロードする必要があります。液体アンダーフィルは、液体エポキシ樹脂と低アルファ溶融シリカ混合物を使用して最初に開発されました。ダイのエッジに沿って塗布した後、樹脂は毛細管力によってチップの下に移動し、検査のためにダイの周囲に良好なフィレットを形成することができます。その後、熱硬化により樹脂を硬化させてプロセスが完了します。使用されるフィラーの形状、量、およびカップリング剤が流動特性に影響を与えるため、後の研究では、CTE を制御し、流動特性を最適化するために、混合サイズの合成シリカ球を使用することが必要になりました。さらなる開発努力の結果、ノーフローアンダーフィル（非導電性ペースト、NCP）、非導電性フィルム（NCF）、ウェハレベルのBステージ化可能なアンダーフィル、リワーク可能な樹脂などが誕生し、さまざまな高度なパッケージングのニーズに対応しました。モールド アンダーフィル (MUF) は、モールディングとフリップ チップ封止を 1 つのステップで組み合わせ、樹脂の塗布と硬化の必要性を排除します。生産効率の向上というメリットがあります。したがって、業界で受け入れられています。基板レベルの信頼性を高めるために、アンダーフィル樹脂は一部の CSP および BGA の取り付けプロセスにも使用を拡大しています。
特定のパッケージデザインに最適なものを選択するには、多くの材料の特徴を考慮する必要があります。回路配線の基材としては、シリコンのほかに主に3種類の有機樹脂系材料が使用されています。図 3 は、2 ダイ FOWLP パッケージを示しています。FO 材料セットは、シリコン ダイ、エポキシ モールディング コンパウンド (EMC)、およびレーザーで穴開けされたビア接続を備えたポリイミド RDL 層で構成されています。底部の有機キャリアは、機械的に穴あけされた PTH (メッキスルーホール) を備えた 8 層の BT エポキシ ガラス プリプレグで構成されたラミネート コア上の 3 つの ABF (味の素ビルドアップ フィルム) ビルドアップ層で作られています。
表 1 は、このパッケージの構築に使用される材料の主な特性を示しています。材料の種類ごとの代表的な値がリストされています。ただし、物理的特性は、特定の処理やパッケージの性能要件を満たすために通常微調整される材料組成によって異なります。
図 3. BT 基板上のマルチチップ FOWLP-ASE FOCoS (HIR、2021 年版)
表 1 包装材料の特性*DSC による Tg (NIST、INVACU、ベンダー データ)
FOWLP は、高度なアプリケーションに使用される急速に成長しているパッケージ タイプです。これは、2000 年代にインフィニオンによって初めて公開され、製品化された WLCSP コンセプトに由来しています。STATS ChipPAC (現在は JCET の子会社) は、後に OSAT の中で最初に大量生産を開始しました。FOパッケージは従来のWLPとは異なり、RDLベースの接続面積がチップスケールよりも大きいため、別途材料や設備が必要となります。シリコン インターポーザー アプローチと比較して、FOWLP はマルチダイ相互接続に安価な選択肢を提供します。
新しい開発により、高度なパッケージング統合に適した FOWLP アセンブリを生成するためのいくつかのプロセスのバリアントが生まれました。これには、小型化、低コスト、バンピングプロセスの省略、高度なパッケージへの統合を容易にする配線の柔軟性など、いくつかの利点があります。
上記のパッケージを詳細に検査すると、ベースとしてシリコンと EMC を使用した FOWLP 上の回路ライン/スペースの特徴が、BT エポキシ ラミネート上に構築された有機チップ キャリアに示されているものよりもはるかに小さいことに気づくかもしれません。この大きな違いは、図 1 と 2 にもよく示されています。
正確な多層レジストレーションを備えたファインピッチ配線を形成するには、寸法が安定したキャリアを使用する必要があります。この点において、前の例で示した有機基板と比較すると、シリコンが優れた選択肢となるでしょう。これは、さまざまな複雑な要因が有機 BT 基板の寸法安定性に本質的に影響を与えるためです。これらには、樹脂配合、ラミネートの熱機械特性、加工条件、環境への影響などが含まれます。関連するテーマについてさらに詳しく説明する予定です。
BT基板
ａ．樹脂配合
BTはビスマレイミド-トリアジンの略です。これは、ビスマレイミドとシアン酸エステル樹脂の 2 つの成分からなる熱硬化性配合物です。化学構造を図 4 に示します。トリアジンは、熱硬化後の環化三量化反応によるシアン酸エステルの反応生成物を指します。
A
B
図 4. BT 樹脂成分 - ビスマレイミド (A) とビスシアン酸エステル (B) からのトリアジンの生成
私。ビスマレイミド樹脂
ビスマレイミドは、硬化中に揮発性物質を生成しない、あらかじめイミド化された化学構造を持つポリイミドの一種です。このクラスの樹脂は優れた耐熱性を示し、従来の熱硬化性樹脂と同じ装置を使用して加工できるため、ジアミン硬化剤が配合され、航空宇宙用の先端複合材料やプリント基板用途に使用されています。
ii.シアン酸エステル樹脂
シアン酸エステル樹脂技術の開発は1960年代に始まりました。芳香族フェノールからモノマーを合成することに初めて成功しました。最も一般的に使用されているのは、多くのエポキシ樹脂の原料でもあるビスフェノール A から誘導されたジシアネートをベースにしたものです。最初のジシアネート樹脂であるトリアジン A は、1970 年代半ばに回路基板業界に導入されました。シアン酸エステル樹脂は、エポキシ、ビスマレイミド、アクリレートなどのさまざまな熱硬化性樹脂と混合して、相溶性のあるブレンドを形成できます。
このタイプの樹脂は、エポキシよりも優れた電気特性を示します。硬化樹脂の誘電率と損失係数はFR-4よりも低くなります。さまざまなシアン酸エステルベースの配合物が開発されており、アンダーフィル、コーティング、接着剤、封止材、チップキャリア基板、ビルドアップ誘電体フィルム、プリント回路基板（PCB）、フォトレジストなどを含むマイクロエレクトロニクスパッケージング用途に特化した用途が見出されています。先進複合材料業界でも幅広い用途の配合物に含まれています。
iii.BTラミネート
三菱ガス化学は、メチレンジアニリンビスマレイミドと混合することにより、シアン酸エステルベースのBT樹脂システムを初めて開発しました。BT 基板は、プリント回路ラミネート技術の拡張です。基本的な配合には通常、50重量％を超えるエポキシ樹脂が使用されます。
BT エポキシ ブレンドは、含浸処理用のメチルエチルケトン (MEK) などの有機溶媒に良好な溶解性を示します。チップキャリア用途に使用されるBT基板は、強化材としてガラス繊維を備えた複合積層板です。従来の FR-4 と比較して、BT エポキシ樹脂は高い Tg (ガラス転移温度) を示し、耐熱性が向上しているため、高温の組み立てプロセスや高温の動作環境に耐えることができます。これらは、チップ基板用途により適したものにする重要な特性の一部です。
その製造プロセスは従来の PCB 生産フローに従います。重要なステップは、含浸、B ステージ、プリプレグの積層、および回路化です。多層構造を有する BT 基板は、埋め込みダイおよび受動コンポーネント (アクティブ デバイス、インターポーザ ダイ、コンデンサ、MEMS デバイスなど) を組み込むことができます。
BT エポキシ ラミネートを構築する場合、複数の材料とプロセス ステップで固有の機械的応力が発生し、材料の寸法安定性に影響を与えるため、特別な注意と制御が必要です。
b.Tg と CTE
一般に、熱硬化性樹脂の Tg は硬化プロファイルとともに上昇し、高度な変換率に達した後に安定します。したがって、加工条件は材料の最終 Tg に影響を与えますが、最終 Tg は通常、最終硬化温度以下またはその付近になります。
化学構造に応じて、純粋なシアネート樹脂は完全硬化後に 280°C を超える Tg を容易に示します。したがって、この特性により、ラミネートを実行して完全な硬化を完了するために、加圧水加熱による最大動作温度が約 180°C である従来の PCB 工場のプレスの使用が除外されます。したがって、一般的な配合アプローチは、樹脂の加工性を変更し、機械的特性や可燃性などの特性を調整しながら、さまざまなレベルのエポキシを添加して Tg を下げることです。より高い Tg のラミネートでは、通常、高温ラミネートまたは後硬化を使用する必要があります。素材の特性を最大限に引き出します。
議論したように、熱硬化性樹脂は架橋反応が完了すると安定した Tg に達します。硬化した樹脂は、温度が Tg を超えると、非晶質からゴム状の状態に相転移します。この自由体積の変化により、樹脂の弾性率、伸び、CTE が大幅に変化し、寸法安定性に影響を与え、さまざまな界面での熱の不一致に起因する応力が引き起こされます。
ガラス繊維強化の助けにより、硬質ラミネートは銅の CTE (17 ppm/°C) に近い xy 平面 CTE を示します。この特性により、基板と回路間の界面の熱不整合が最小限に抑えられます。面内拘束の結果、基板の Z 軸 CTE は通常 40 ppm/℃ を超えます。したがって、熱サイクル中に PTH に界面歪みが生じます。低 CTE フィラーをマトリックス樹脂にブレンドすると、全方向の CTE がさらに低減されます。ただし、このタイプの配合では、製造中により多くの注意を必要とする変数が多くなる傾向があります。
BT-エポキシの Cu 剥離強度は十分ですが、FR-4 より若干劣ります。ただし、この値は、表面前処理、回路形成方法、使用される銅箔の種類などのいくつかの変動によって影響されます。
c. ガラスファブリックと寸法管理
BT ラミネートの大部分は E ガラス生地で作られています。S ガラス、D ガラス、L ガラス、溶融シリカなどの他のグレードのガラス糸は、より低い CTE と誘電率を持ち、より少量で生産されます。それらは化学組成と物理的特性が異なります。さまざまな厚さ、重さ、糸構造の織布を幅広く取り揃えています。細い糸で作られた軽量の生地は、最終的なプレス厚が 25 ～ 35 μm の薄いプリプレグを製造できます。
ガラスファブリックはプリプレグ製造の重要なサポート要素です。製造工程は、トリーター（コーター）を用いてガラス生地に樹脂溶液を含浸させます。その後の加熱により、樹脂が染み込んだ生地から溶剤が除去されて乾燥し、樹脂が部分的に硬化し、B ステージのプリプレグが得られます。制御する必要がある重要なパラメータには、樹脂含有量、粘度流動、樹脂のゲル点以下での硬化度などがあります。
3 つの樹脂成分間の架橋反応は複雑であり、特性評価が困難です。樹脂混合物の構造と特性の関係を確立するために、さまざまな試みが行われました。考えられるメカニズムはさまざまな分光モデル研究の対象となり、いくつかの研究グループによって提案されています。
次に、1 つ以上のプリプレグの層を熱と圧力の下で銅箔で挟み込み、さらなる回路形成のための硬質銅張積層板 (CCL) コアを形成します。薄くて軽量な生地で作られたプリプレグの樹脂含有量は、一般に重量で 60% より高くなります。
シリコンキャリア上のフロントエンドデバイスと RDL 層の製造では、多段階プロセスを使用して回路の層を順番に構築します。同様に、積層プロセスでは、1 つのステップで「並列」に組み立てられた回路コアを使用して、複数層の配線を含めることができます。内部回路プレーンへの相互接続は、PTH 経由と PTH 経由の両方で実現されます。
BT エポキシ基板は積層複合材料であるため、製造中や湿気や熱サイクルにさらされると寸法が変化します。信頼性の高い配線接続を実現するには、内層の正確な位置合わせが必要です。ただし、含浸と積層の両方のステップでは、基本的に材料の寸法安定性に影響を与える多くの要因が導入されるため、慎重な制御が必要です。生地の製織、張力下での含浸、樹脂の硬化収縮、およびプリプレグのラミネートに起因する残留応力はすべて、ラミネートの寸法公差のある程度の変動と反りに寄与します。
通常、ガラス生地によって引き起こされる応力が原因で、単層積層板の反りが大きくなり、寸法安定性が低下する傾向があります。したがって、厚さの要件が許せば、これらの欠点をバランスさせるためにプリプレグの偶数層をクロスプライするというアプローチがあります。マテリアル セットを選択するときは、最小限のマテリアルの動きにどのような要因が影響するのか、またマテリアルがどのように一貫して再現性をもって動くのかを理解することが重要です。したがって、リソグラフィーアートワークの補正がそれに応じて実装される可能性があります。
d. 耐湿性
シアン酸エステル樹脂はエポキシよりも優れた特性をいくつか示しますが、湿気に弱いことが知られています。プリプレグの製造、保管、取り扱い中に樹脂の化学反応に影響を与える湿気を排除することが重要です。有機金属塩の触媒作用により、芳香族シアネートは三量体化して、安定したシアヌレート、s-トリアジンの環構造を形成します。しかし、水の存在下では、シアン酸アリールは容易に加水分解してカルバメート部分となり、加熱すると二酸化炭素ガスを放出します。この副反応は積層板に膨れを引き起こし、最終的な材料特性を低下させます。
適切に制御すると、完全に硬化した BT エポキシ ラミネートは、優れた耐湿性と層間剥離耐性を示します。樹脂/ガラス繊維界面の存在と固体樹脂の自由体積は、ラミネートへの水分拡散に影響します。生地にカップリング剤を処理することでガラス繊維と樹脂の密着性を高め、耐湿性を向上させます。吸湿は典型的なフィッケイン II 型プロファイルに従い、脱着は熱によって完了します。ラミネートの寸法安定性に対する湿熱の影響には、xy 面内の動きや面外の反りが含まれます。積層体には複数のコンポーネントが含まれるため、基板の反り特性はかなり複雑で、キャリア表面の細線パターニングの能力に直接影響します。回路化ステップでの望ましくない歩留まりの損失を防ぐために、この機能を適切に制御する必要があります。
BT-エポキシ樹脂は、導電性陽極フィラメント (CAF) の形成に対して優れた耐性を示すことが知られています。この現象は、多層回路積層板で見られる故障モードに関連しており、銅メッキビアまたは PTH からガラス繊維糸に沿って金属フィラメントが成長し、隣接する銅プレーンに電気的短絡を引き起こす可能性があります。CAF の発生は、水分、イオン性不純物、電気的バイアス、ガラス繊維と樹脂の界面接着力の弱さ、および熱の存在に影響されます。CAF は主に機械的に開けられた穴と関連付けられており、その穴では繊維と樹脂の界面が弱くなり、フィラメントの成長の開始点となることがよくあります。
BT エポキシ ラミネートは、多くの場合 ABF ビルドアップ層と組み合わせて、シングル チップから FO 基板、PoP、SiP、組み込みデバイス/コンポーネント、マルチチップレット HI、および2.5/3D スタック製品。さまざまな基板設計が利用可能です。メモリ製品を例に挙げると、現在、膨大な数の汎用 DDR4 が、単一層の回路のみを使用してウィンドウ FBGA(BOC) BT エポキシ パッケージにワイヤ ボンド経由で接続されていることが知られています。数年前に開始されましたが、一部の DDR2 はすでに RDL で配線され、特殊なアプリケーション向けに基板への銅ピラーの取り付けが使用されていました。
複合材料としての BT エポキシ基板の固有の物理的特性により、平坦で寸法的に安定した表面が必要な細線パターニングにはいくつかの制限が生じます。これらの特性は以前の議論で説明されています。したがって、薄膜堆積プロセスによってファインピッチ回路を容易に形成できるシリコンやガラスなどの材料は、より高価ではありますが、高密度配線の代替ソリューションになります。
e. 基板市場
IC 基板は、800 億ドルを超える PCB 未加工基板市場の一部です。HPC、モバイル、5G、自動車、およびチャプレット統合の要件に後押しされ、基板の売上高は過去数年間で年率 20% を超えるペースで増加しています (図 5)。BT基板のサプライチェーンはアジアに集中しています。トップサプライヤーには、Unimicron、Kinsus、NYPCB、ASE、Zing Ding、LG Innotek、SimmTek、SEMCO、Daeduck、Shannan などが含まれます。
図 5. IC 基板市場の成長 * FCCSP/FC-BOC、WB PBGA/CSP、モジュール
(AT&S プレゼンテーション 2022/23 年第 1 四半期、Prismark)
パッケージのフォームファクターと層数の増加により、BT 基板の市場成長が促進されると予測されています (図 6)。いくつかの主要な要因がグラフに示されています。アンテナ イン パッケージ (AiP)/SiP パッケージの例を図 7 に示します。5Gmm 波関連の携帯電話アプリケーションは、基板使用の需要を促進する主要な市場セグメントの 1 つです。その開発傾向は、高周波およびマルチバンドのアプリケーションに関連する、より小さく、より薄いパッケージに焦点を当てています。別の市場成長分野は、メモリ製品のより大量の基板使用量の予測に関連しています。DDR5 の HBM、eMMC、および FCCSP のサブステートは、より高い ASP の恩恵を受けることになります。中国のYMTCと合肥長信が拡大サイクルに入ったことにより、国内BT基板市場のさらなる拡大も期待されている。
図6. BT基板市場の成長予測(Goldman Sachs Global Investment Research 11/2022)
図 7. Asus ZenFone 4 Pro の FEM での AiP 実装 (Yole Group ウェブキャスト)
高度なパッケージングにより、さまざまなテクノロジー ノードで異なる機能を備えたダイ (チップレット) を組み立てて、パッケージ レベルのシステム統合を実現できます。基板技術は継続的に進化しており、この傾向を促進し、市場の継続的な成長を実現するための重要な要因の 1 つとなっています。
