リフローはんだ付け中のSiPパッケージにおける反り応力に関する研究

電子機器の微小な曲がりが重要な理由

現代のガジェットやAIハードウェアは、切手よりも小さなパッケージに膨大な計算能力を詰め込んでいます。こうした小型化されたシステム内部では、チップ、配線層、はんだ接合部が製造時の激しい加熱・冷却に耐えなければなりません。わずかな曲がり—反りと呼ばれる—でも、はんだボールに亀裂を入れたり接続を壊したりして、静かに機器の寿命を縮めます。本論文は、はんだ付け工程でこれらの微細構造がどのように、なぜ反るのかを調べ、より賢い数値モデルがエンジニアにどのようにして平坦で信頼性の高い先進チップパッケージの設計を助けるかを探ります。

多層チップシステムの構造

本研究はシステム・イン・パッケージ（SiP）と呼ばれる一種の先進パッケージに焦点を当てています。単一チップを単純な基板に載せる代わりに、SiPは複数のチップを多数の超薄層からなる高密度回路基板上に積み重ねます。銅配線がチップ間の信号をルーティングし、小さな金属球（はんだボール）がモジュール全体をメインのプリント基板に接続します。製造時にはアセンブリがリフロー炉を通過し、室温から約240℃まで上昇して再び冷却されます。銅、ポリマー、はんだは温度によって膨張・収縮の度合いが異なるため、これらの材料サンドイッチはわずかにスマイル型やしかめ面型に反り、内部の要素に応力を与えます。

現実に近いシミュレーションで内部を覗く

従来の反りの数値モデルはしばしば近道を取りました。複雑なポリマーを単純な弾性体とみなしたり、細かい銅配線を一様なブロックに平均化したり、はんだ付け前に既に基板にある曲がりを無視したりしていました。本研究はより忠実な図像を構築します。著者らは実際の銅トレース配列を明示的にモデルに組み込み、主要なポリマー層に「粘弾性」挙動を与えています。これは非常に硬いハチミツのように荷重下でゆっくりと緩和する性質を意味します。また、高温下で金属が応力下で徐々に変形する「クリープ」をはんだボールに時間依存で含めています。有限要素モデルのために慎重に調整されたメッシュは精度と計算時間のバランスを取り、全体の手法は実際の基板に対する精密な光学測定と照合され、おおむね約7パーセント以内で一致します。

反りと応力を本当に駆動するもの

改良されたシミュレーションはいくつかの意外な点を明らかにします。まず、基板の反りパターンはポリマーの軟化点を超えて温度が上がり、その後再び下がる過程で「スマイル型」と「しかめ面型」の間で反転します。重要なのは、測定された初期の基板の曲がりを含めるとピーク反りが数十マイクロメートル変わることで、これを無視するとアセンブリが実際より安全に見えてしまいます。銅トレースの配置自体が隠れた補強材のように作用する点も重要です。トレースマッピングを現実的にモデル化すると、予測される反り形状は単純な皿形よりも実験と一致する波打つ形になります。さらに、コア基板をただ硬くするだけでは必ずしも平坦化につながらないことが示されています。膨張が強く方向依存的であるため、非常に硬いコアはむしろ応力を閉じ込め、応力を解放する手段として構造がより大きく曲がることがあります。

より強い材料ではなく、賢い材料選択を

モデル内で異なる誘電体やコア材料を入れ替えることで、著者らは「最良」の基板は隣接層と熱膨張が一致し、剛性が極端でないものだと結論付けます。候補となるいくつかの誘電フィルムの中で、ABF‑Lと名付けられたエンジニアリング材料は、リフロー工程の重要な温度帯での膨張が小さいため最も反りが少ないことが分かりました。研究はまた、従来の鉛入りはんだと二種類の無鉛合金を比較しています。古典的なSn63Pb37はんだははんだ付け後の応力は最も低くなるものの、永久変形が最も大きく、多くの温度サイクルで疲労亀裂が起きやすくなります。一方、無鉛合金の一つであるSAC405はより高い応力を示すものの、累積ひずみははるかに低く、これはパッケージを支える微小なはんだボールの長期信頼性の向上につながります。

将来の電子機器にとっての意義

簡潔に言えば、本研究は先進的なチップパッケージの反りは「強い材料を選べばよい」という単一の指標で制御されるものではないことを示しています。むしろ、異なる熱挙動を持つ多数の層がどのように積層されているか、銅ラインがどのように配列されているか、金属とポリマーが加熱下でどのようにゆっくりと緩和するかに起因します。これらの効果を詳細に捉えることで、提案されたシミュレーション手法は計算資源を圧迫しすぎることなく反りと応力をより正確に予測します。これにより設計者は基板積層やはんだ合金を実用的に選択し、デバイスをより平坦に保ち接続を健全に保つことで、より信頼性の高い高密度な電子機器やAIハードウェアの実現に寄与します。

引用: Qu, R.N., Li, D.S., Pan, L. et al. Study on warpage stress in SiP packages during reflow soldering. Sci Rep 16, 14326 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38115-4

キーワード: 電子パッケージング, 反り, システムインパッケージ, リフローはんだ付け, はんだ疲労