パッケージ、基板、インターポーザーのサイズ拡大に伴い、パッケージや電子基板の反りが増加している。そのためパッケージング企業は、熱膨張を単に低減するのではなく、熱膨張を相殺できる材料の試験を進めている。その方法の一つが、負の熱膨張係数（NTE）を持つ材料を使用し、高温時に収縮または膨張を抑制することで、モールドコンパウンドやアンダーフィル材料に使われるエポキシ樹脂と混合することである。
基本的な問題は、熱膨張係数の異なる材料が接触すると発生する。加熱されると各部品はそれぞれ固有の速度で膨張しようとするが、層同士が接着されているため独立して動くことができず、応力が発生してパッケージや基板の反りにつながる。接合面積が大きくなるほど、端部の接合部が弱くなったり破損したりする可能性が高まる。反りが製造装置自体の動作を妨げるほど大きくなる場合もある。AmkorのKnowlton Olmsteadは、反りが大きいと、真空チャックが十分な真空を形成できない可能性があると説明している。
なぜ問題はより緊急性を増しているのか？
パッケージ、インターポーザー、基板の大型化は先進パッケージングのトレンドの一部だが、シリコン、基板、モールドコンパウンド間の機械的な差異に対する工程の感度を高める。AmkorのMike Kellyによると、シリコンを薄くすることで反りを低減できる場合があるものの、熱の管理に必要な厚さを維持する必要性と相反する可能性がある。
ガラスなどの新材料によって、難しさはさらに増している。SynopsysのLang Linによると、現在はマイクロメートル単位で反りが議論されているが、より大型のガラス基板ではミリメートルに達する可能性がある。そのため、これは材料配合における外観上の改善にとどまらず、アライメント、接合、製造歩留まりに影響し得る工程上の限界に関わる問題である。
負の熱膨張材料はどのように機能するのか？
実際に負の熱膨張を示す材料は存在するが、その挙動は特定の温度範囲に限られたり、相変化に関連したりする場合がある。また、別の材料の動きを拘束するネットワークやマトリクスを使って、同様の効果を実現することもできる。内部構造によって包囲された材料が自由に膨張できないようにし、分子運動の方向を変えることで、全体の膨張を低減したり、限定的な収縮へと変えたりするという考え方である。
このアプローチでは、化学組成だけでなく、フィラーの構造にも重点が置かれる。house-of-cardsやrigid-rodなどのネットワークは異なる剛性を与え、材料の流動にも影響する。また、成分の集合方法や化学的な組み込み方が最終的な挙動を決定する。Mitsubishi Chemical GroupのSanjiv Bhattは、これは単一材料の特性というより、ネットワークまたは構造の問題に近いと説明している。
必ずしも熱膨張係数ゼロの材料を作ることが目的ではない。目的は、モールドコンパウンドの熱膨張係数を、ダイ、基板、封止材の熱膨張係数に近づくよう調整することである。これにより、熱的不整合と応力の蓄積を低減でき、膨張を完全に打ち消そうとする必要がなくなる。
研究から商用利用へ
負の熱膨張材料は依然として限られている。Brewer ScienceのLuke Prengerによると、β-eucryptiteは一部のセラミック治具で使用されており、zirconium tungstateは一部のモールドコンパウンドやアンダーフィル材料の添加剤として使われている。三次元で負の膨張を示す有機材料の設計はさらに難しい。こうした挙動を示すポリマーは一方向でのみその特性を示す傾向があるため、無機添加剤が解決策の重要な一部となる。
Mitsubishi Chemical Groupは、熱膨張係数を調整するためにエポキシ樹脂と混合できる無機材料の提供を開始しており、樹脂とあらかじめ混合された形態でも提供されている。これは、この技術が研究段階から、電子機器のパッケージング用途で試験できる製品へ移行しつつあることを示しているが、まだ全面的な産業採用に至ったことを意味するものではない。
普及を制限する要因は何か？
- 材料は、硬化工程や、より高温の製造工程を含む温度範囲全体で性能を維持しなければならない。
- 樹脂と容易かつ均一に混合できる必要がある。不均一な分散は効果を弱めたり、予期しない挙動を生じさせたりする可能性がある。
- 純度と不純物を管理しなければならない。特に、アルファ粒子を放出する粒子はパッケージの信頼性に影響する可能性がある。
- 拘束マトリクスは、包囲された材料の基本的な熱転移温度、例えばガラス転移温度や融点を変化させない。
certi.newsの見解：ここで実際に起きている変化は、単に新材料を発表することではなく、反りの管理をパッケージ設計のレベルから材料工学そのもののレベルへ移そうとする試みである。これらの配合が複数の温度で安定して機能することを実証できれば、より大型のパッケージや基板に対する機械的制約の一つを取り除く助けになる可能性がある。しかし、出典は定量的な性能データや大規模な生産結果を示していない。そのため、混合の容易さ、熱安定性、純度が、このアプローチを先進パッケージングにおける標準的な実践へと転換できるかどうかが、依然として未解決の問題である。