三井金属鉱業の先端半導体向け熱で縮む素材　なぜ熱で縮むのか？どのような場面で必要なのか？

この記事で分かること

三井金属鉱業の先端半導体向け熱で縮む素材

　三井金属鉱業は先端半導体向けに熱で縮む素材（熱収縮性材料）を開発しており、2026年にも量産を開始する計画です。

　https://www.nikkei.com/article/DGXZQOUC19AWX0Z10C25A9000000/

　この素材は、半導体の製造プロセスや動作時に発生する熱膨張によって、回路などにひずみが生じるのを相殺・抑制する目的で開発されました。

熱収縮性材料は先端半導体でどのように使用されるのか

　三井金属が開発している熱で縮む素材（熱収縮性材料）は、先端半導体のパッケージング分野において、主に熱膨張によるひずみを相殺し、信頼性を高めるために使用されます。

　これは、素材を単体で使うのではなく、以下のように、既存のパッケージ材料に混ぜ込んで使用するケースが一般的です。

1. パッケージ材料の「熱膨張係数（CTE）」の制御

　この熱収縮性材料は、熱を加えると体積が縮むという特殊な性質（負の熱膨張）を持っています。これを、通常熱を加えると膨張する他の材料と複合することで、全体としての熱膨張を抑制し、精密な制御を可能にします。

適用箇所	役割・機能
パッケージ基板、インターポーザー	基板などに含まれる樹脂やガラス材料にフィラー（充填材）として添加されます。パッケージ全体のCTEを、半導体チップや回路に使用される金属（銅など）のCTEに極限まで近づけます。
アンダーフィル材	チップと基板の間を埋める樹脂材料に添加し、接合部分の熱応力を緩和します。

2. 熱応力の相殺（ひずみ対策）

　先端半導体では、チップそのものや、チップを支えるパッケージ基板、それらを繋ぐ配線など、異なる素材が組み合わされています。これらの素材はそれぞれ熱膨張の度合い（CTE）が異なります。

• 半導体の製造プロセス（例：高温での加熱）や、動作時の発熱により温度が上昇すると、素材ごとに膨張の度合いが異なり、熱応力やひずみが生じます。
• このひずみが、配線の断線や接合部のクラック（ひび割れ）を引き起こし、半導体の故障原因となります。

　三井金属の熱収縮性材料を複合材として使用することで、この異なる素材間の熱膨張の差を打ち消し（相殺し）、「熱で膨張しようとする力」を「熱で収縮しようとする力」で抑制します。

　これにより、先端半導体の高密度化や3次元積層化が進む中で、信頼性と長寿命化を確保するための重要なキーテクノロジーとなります。

熱膨張によるひずみを相殺が必要な理由は

　先端半導体のパッケージングで熱膨張によるひずみを相殺することが必要な主な理由は、以下のように、デバイスの信頼性（故障率）と長寿命化を確保するためです。

　微細化と高性能化が進む先端半導体において、このひずみを放置すると以下の深刻な問題を引き起こします。

1. 異なる材料の熱膨張係数（CTE）の不一致

　半導体パッケージは、シリコン（チップ）、金属（配線）、樹脂、セラミックスなど、熱膨張の度合い（CTE）が異なる複数の材料で構成されています。

• チップの製造プロセスや動作時の発熱（数十℃〜100℃以上）により温度が上昇すると、これらの異なる材料がそれぞれ異なる量で膨張しようとします。
• この膨張差が、材料間の接合部分（特にチップと基板の間など）に大きな熱応力（ひずみ）を集中させます。

2. 回路の損傷と故障の原因

　熱応力が集中すると、以下の原因でデバイスの故障につながります。

• クラック（ひび割れ）の発生: 接合部や材料内部に微細なひび割れが生じ、電気的な接続が不安定になります。
• 配線の断線・剥離: 金属配線や再配線層（RDL）が引っ張られたり押されたりすることで変形し、断線や剥離が発生します。
• サーマルサイクル疲労: デバイスが動作（加熱）と停止（冷却）を繰り返すたびに、ひずみが繰り返し加わり、クラックが徐々に進行（疲労破壊）し、最終的にデバイスが故障します。

3. 高密度化・3次元積層化の進行

　特に、チップを縦に積み重ねる3次元積層技術（3D-IC）や、多数のチップを一つのパッケージに集積する高性能パッケージングでは、材料がより複雑に組み合わされるため、わずかな熱膨張の不一致が、全体にわたる大きなひずみとなり、信頼性設計上の最大の課題の一つとなっています。

　したがって、熱収縮性材料を複合材として用いてパッケージ全体のCTEをチップなどの主要材料に合致させることは、熱応力を緩和し、高性能な半導体を安定的に動作させるために不可欠です。

熱収縮性材料はなぜ、熱を加えると体積が縮むのか

　熱収縮性材料（負熱膨張材料）が熱を加えると体積が縮む仕組みは、一般的な物質とは異なり、主にその特殊な結晶構造に起因します。

　通常、物質は温度が上がると、原子の振動が大きくなり、原子間の平均距離が広がって体積が膨張（正の熱膨張）します。

　一方、熱収縮性材料では、この正の熱膨張を上回る特定のメカニズムが働くことで、巨視的には収縮（負の熱膨張）として観測されます。

1. フレームワーク（骨組み）構造の変形

　最も一般的なメカニズムの一つが、骨組み（フレームワーク）構造の特殊な動きによるものです。

• 原子団の結合: 材料は、特定の原子団（例えば、酸素原子に囲まれた金属原子など）が、連結された骨組みを形成しています。
• 結合角の変化: 温度が上昇すると、個々の原子間の結合距離自体はわずかに伸びようとする（通常の熱膨張）のですが、それよりも連結部分の結合角が大きく変化します。
• 構造の「折りたたみ」: この結合角の変化により、骨組みが内側に「折りたたまれる」ように動きます。その結果、結晶構造内部の隙間がなくなり、全体としての体積が減少します。

2. その他のメカニズム

　材料によっては、フレームワークの変形以外に、以下のような現象が組み合わさって負の熱膨張を引き起こします。

• 相転移（構造変化）: 特定の温度に達すると、結晶構造自体が、より体積の小さな緻密な構造へと変化（相転移）し、急激な収縮が起こります。
• 磁気的相互作用: 物質内の電子スピンの並び方（磁気構造）が温度によって変化し、それに伴って原子間の距離が変化（収縮）する場合があります。

　三井金属などが開発している先端半導体向けの熱収縮性材料は、主に酸化ジルコニウムやジルコンを基にした結晶など、特殊な骨組み構造を持つものが代表的です。

　これらの材料は、通常の膨張を打ち消すことで、熱による体積変化を極めて小さくする（ゼロ熱膨張に近づける）目的で利用されます。