AI負荷で求められる高い帯域幅を背景に、半導体メーカーは2.5Dおよび3Dパッケージへと向かっている。そこでは複数のチップまたはチップレットが小さな面積に高い接続密度で集積される。しかし、接続数を増やすだけでは性能の問題は解決しない。それどころか、パッケージ内部の熱、機械的応力、エレクトロマイグレーションの管理は難しくなる。
2026年8月20日にSemiconductor Engineeringで公開された分析は、こうした課題への対応におけるインターポーザー（Interposer）の役割に焦点を当てている。材料の膨張、パッケージの変形、再配線層の損傷に加え、銅の微細構造が配線寿命に及ぼす影響を扱った研究成果を紹介している。
なぜ業界は2.5Dへ向かうのか？
3Dパッケージは、ハイブリッドボンディング技術とシリコン貫通ビア（TSV）を用いてチップを垂直に積層することで、可能な限り高い接続密度を実現する。しかし、この緊密な集積は、位置合わせ、テスト、信頼性に大きな課題をもたらす。また、能動デバイスのサイズが放熱に利用できる面積よりも速く増大するため、熱の放散も難しくなる。温度上昇によってTSVが膨張し、層間に亀裂や剥離を引き起こす応力が発生する可能性がある。
一方、2.5Dパッケージでは、複数のチップ間、またはチップとパッケージ基板との間で信号を再分配するパッシブなインターポーザー上にチップを配置する。このインターポーザーには通常、配線や、場合によってはコンデンサーと抵抗が含まれるが、トランジスターやその他のスイッチは含まれない。そのため、製造およびモデリングの面では能動回路より単純であり、3Dパッケージにおける信頼性問題の一部を回避できる。
しかし、インターポーザーがパッシブ部品であるからといって、設計が容易になるわけではない。インターポーザーには、接続の提供、機械的支持、放熱への寄与が求められる一方、パッケージは熱膨張係数（CTE）が大きく異なる材料で構成される。シリコンと銅の熱膨張係数は比較的低いのに対し、パッケージ基板、モールドコンパウンド、有機アンダーフィル（Underfill）材料はより大きく膨張する。
熱変形は単純な形状にはならない
製造中のパッケージの加熱・冷却時、または動作中に抵抗熱が発生する際、各層は異なる速度で膨張・収縮する。1枚のチップを含むパッケージでは、この挙動を比較的容易にモデル化できる場合があるが、動作中の熱は均一には分布しない。熱分布はチップ内部の信号経路や動作パターンに左右される。
複数のチップを集積すると、複雑さは増す。隣接する2枚のチップがインターポーザーとその下にある基板に逆向きの応力を発生させ、単純な凹状または凸状の反りではなく、鞍型に似た変形を生じさせることがある。また、座屈を防ぐために特定の領域を補強すると、応力が除去されるのではなく別の領域へ移る可能性がある。その結果、インターポーザーと基板の接合部が破損したり、再配線層（RDL）が剥離したりすることがある。
Seoul National UniversityのHakjun Kim氏らは、熱機械的故障が2.5Dパッケージにおける最も難しい信頼性課題の一つであることを明らかにした。また、South China University of TechnologyのMing-Sheng Luo氏とそのチームは、2枚のチップと3層の再配線層を含むモデルにおいて、チップ間の距離とインターポーザーとモールドコンパウンドの接合部を故障の影響を受けやすい領域として特定した。より大型のパッケージについては、研究者らは応力を均衡させるため、ダミーチップ、すなわちベアシリコンダイの使用を提案した。
問題は熱だけに限られない。水分の吸収によって材料が異なる速度で膨張する可能性があり、材料の吸湿挙動は必ずしも熱的挙動と一致しない。これは、特にファンアウト・ウェーハレベル・パッケージ（Fan-Out Wafer-Level Package）において、信頼性モデルに別の負荷を加える。
銅配線におけるエレクトロマイグレーション
パッケージ内部の電流密度が高まると、エレクトロマイグレーションは接続故障のより重要な原因となる。この現象は、高い電流によって金属原子が徐々に移動し、配線にボイドや損傷が生じる可能性がある場合に発生する。
National Yang Ming Chiao Tung UniversityのYi-Quan Lin氏らは、電気めっきプロセスで作製された銅配線の結晶構造が及ぼす影響を研究した。結果は、ナノ結晶構造の銅ではエレクトロマイグレーションの起こりやすさが高まる可能性を示した。これは、粒界が拡散を促進するためとみられる。一方、ナノ双晶銅は、特に熱処理後に、強い（111）方位の結晶テクスチャーと高い整合双晶境界比率を示し、酸化物やボイドの形成抑制に寄与した。
ASE Groupに関連する別の研究では、より小さな粒径を持つ配線が、動作中に検査されたRDL構造において、より大きな粒径を持つ配線の約7倍の寿命を達成したことが示された。これは、微細構造の制御が、合金添加物やトレンチ内の絶縁層だけに依存せずに信頼性を向上させる手段になり得ることを示している。後者の解決策は、回路抵抗や製造の複雑さを増大させる可能性がある。
実際には何が変わるのか？
インターポーザーの設計を、信号密度や配線長だけの観点から評価することは十分ではない。材料の選択、チップの配置、層の厚さ、銅の構造、接続位置はすべて、熱の経路、応力、パッケージ寿命に影響を与える。ある領域の変形を低減する解決策が、別の領域で剥離の危険性を高める原因になることもある。
このため、研究者らはディープラーニングに基づく代理モデルへと向かっている。有限要素法シミュレーションは個々の領域を高精度に研究できるが、複雑なパッケージのすべての領域と層に適用すると、計算コストが高くなる。初期の結果は、マルチスケールのディープラーニングモデルによって、各ケースで有限要素解析を再実行する必要性を減らし、より大きな規模で変形や非線形挙動を予測する実用的な手段を提供できることを示している。これらのモデルは物理シミュレーションを廃止するものではない。設計探索を加速し、より詳細な解析が必要なケースを特定する代理モデルとして機能させることができる。