有機インターポーザーとは何か？大面積で加工できる理由は何か？なぜシリコンと比較し、微細化で劣るのか？

この記事で分かること

有機インターポーザー

　チップの微細化による性能向上の限界が見え始めていることから、半導体製造において前工程から後工程へと性能向上開発の主戦場が移り始めています。

　複数のチップを効率的に組み合わせて性能を引き出す「後工程」の重要性が増しています。

　前回はガラスインターポーザーの各工程の有力メーカーに関する記事でしたが、今回は有機インターポーザーに関する記事となります。

インターポーザーとは何か

　インターポーザとは、複数の半導体チップ（チップレット）を接続するための中間基板です。これを用いることで、チップ間の配線距離を短縮し、高密度な接続と高速データ伝送を可能にします。

　インターポーザーには主に、シリコンインターポーザー、ガラスインターポーザー、有機インターポーザーなどがあります。

種類	主な材料	特徴	主な用途
シリコンインターポーザ	シリコン（Si）	最も高密度な配線が可能で、放熱性、電気特性に優れる。（製造コスト高）	AIアクセラレータ、HPC、高性能GPU
ガラスインターポーザ	ガラス	大面積化が容易で、低コスト化・高周波特性に優れる。	次世代パッケージング技術
有機インターポーザ	有機樹脂（RDLインターポーザ）	製造コストが比較的低い。柔軟性や大面積製造が可能。	スマートフォン、モバイルデバイス

有機インターポーザーとは何か

　有機インターポーザーとは、有機材料を基板として使用したインターポーザー（中間基板）のことです。

　インターポーザーは、異なるサイズや形状の半導体チップや電子部品を効率的に接続するために用いられる中間基板であり、電子機器の小型化や高性能化に不可欠な要素です。

有機インターポーザーの主な特徴

• 材料・コスト：有機樹脂などの有機材料を使用するため、シリコンインターポーザーに比べて製造コストが比較的低いのが大きな特徴です。
• 柔軟性・製造：柔軟性があり、大面積での製造が可能なため、コスト効率が高いです。既存のプリント基板（PCB）のインフラを活用した製造も可能です。
• 用途：コストが重視される民生機器など、適度な性能が求められる多くの用途に適しています。
• 課題：シリコンインターポーザーに比べると、配線密度や電気特性（高周波特性など）、熱伝導性（熱放散）の面で課題がある場合があります。

　近年では、複数の異なるチップを一つのパッケージに集積する「ヘテロジニアス・インテグレーション」の進展に伴い、パッケージの大型化に対応でき、コスト効率に優れる有機インターポーザーの進化・普及が注目されています。

有機インターポーザーにはどのような材料が使用されるのか

　有機インターポーザーに使用される主な材料は、その名前の通り有機材料、特に有機樹脂や有機ラミネートをベースとした材料です。

　具体的には、以下のような材料が関連しています。

• 有機樹脂（ポリマー）：基板の誘電体層として使用されます。
• PCB（プリント基板）に類似した基板材料：有機インターポーザーは、従来のPCB製造インフラを活用できるため、基板にはラミネートやビルドアップフィルムといったPCBに用いられる材料が使用されます。
• 銅（Copper, Cu）：配線層（RDL: Redistribution Layer）の材料として使用されます。
• 低CTE（熱膨張係数）の有機材料：半導体チップ（シリコン）との熱膨張率のミスマッチによる信頼性の問題を軽減するため、低CTEの有機材料が開発・採用されています。

　有機インターポーザーは、高価なシリコンの代わりにこれらの有機材料を用いることで、低コストで大面積の製造を可能にしています。

大面積での製造が可能な理由は何か

　有機インターポーザーが大面積での製造が可能な理由は、主に以下の製造技術と材料の特性に基づいています。

1. パネルレベル製造技術の利用

　有機インターポーザーは、高価で大型化が難しいシリコンウェーハプロセスではなく、既存のプリント基板（PCB）製造技術やパネルレベルパッケージングのインフラストラクチャを利用できることが最大の理由です。

• パネルプロセス：有機材料は、シリコンウェーハよりも遥かに大きな長方形の大型パネル基板（例：600mm角）として取り扱うことが可能です。この大型パネル上で一度に多数のインターポーザーを製造できるため、製造効率が大幅に向上し、大面積化の制約が少なくなります。
• 低コスト化：シリコンウェーハを用いたプロセスはレチクルサイズ（露光装置の最大サイズ）によってサイズが制限されますが、パネルプロセスはこの制限が緩く、大型化によるコストメリットが大きくなります。

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2. 有機材料の特性

　有機材料（樹脂）自体の特性も、大面積化を可能にしています。

• 柔軟性：有機材料はシリコンに比べて柔軟性があるため、製造プロセスでのハンドリング（取り扱い）が容易であり、大きな基板でも割れにくいという利点があります。
• 低コスト：材料自体がシリコンに比べて安価であるため、大型化しても製造コストの増加を抑えやすいです。

　これらの理由から、有機インターポーザーは、高性能化が進むチップレット構成において、複数のチップを搭載するための大型パッケージ基板として特に注目されています。

シリコンと比較し、配線密度に劣る理由は何か

　有機インターポーザーがシリコンインターポーザーと比較して配線密度に劣る主な理由は、製造プロセスと材料の根本的な違いにあります。

1. 製造技術の限界

　有機インターポーザーは、主にプリント基板（PCB）の製造技術（パッケージ工程）を応用して製造されます。

• フォトリソグラフィの精度：PCBプロセスは、シリコンウェーハの製造に用いられる半導体前工程の技術（ウェーハプロセス）よりも配線（ライン/スペース）の微細化限界が大きいです。
• 配線幅の比較：
  • シリコンインターポーザーは、半導体プロセスにより1µm以下の極めて微細な配線幅/間隔（L/S）を実現できます。
  • 有機インターポーザーは、一般的に2～5µm程度が実用的な限界であり、シリコンほどの微細加工は困難です。

2. 材料の寸法安定性の問題

　有機材料（樹脂基板）自体の特性も制約となります。

• 熱膨張係数（CTE）のミスマッチ：有機材料は、シリコンに比べて熱膨張係数が大きいです。製造プロセスでの熱サイクルや、配線材料である銅とのCTEミスマッチにより、基板に反りや歪み（寸法不安定性）が発生しやすくなります。
• 配線精度への影響：この寸法不安定性が、層間での配線位置ずれ（層間ミスアライメント）を引き起こし、より微細な配線ピッチを安定的に実現することの大きな障壁となります。

　有機インターポーザーは、コストや大面積化の面で優位性がある一方で、シリコンインターポーザーが実現するような極めて高い配線密度と信号伝達性能には及ばないというトレードオフの関係にあります。

有機材料に前工程を適用することはできないのか

　原理的には不可能ではありませんが、有機インターポーザーに半導体前工程（ウェーハプロセス）の技術を完全に適用することは、現在のところ非常に困難であり、実用的なメリットも限られます。

　「前工程」とは、トランジスタを作るための極めて微細なフォトリソグラフィ、エッチング、薄膜形成といった工程を指しますが、有機材料には以下のような大きな課題があります。

1. 有機材料の耐熱性の問題

　半導体の前工程、特にトランジスタ形成（FEOL）や微細な配線層（BEOL）の形成には、数百℃にもなる高温の熱処理プロセスが必要です。

• 有機材料の変質: 有機樹脂はこれらの高温に耐えられず、分解、炭化、または大幅な寸法変化を起こしてしまい、プロセスを維持できません。シリコンは非常に高い耐熱性を持つため、これが大きな差別化要因となります。

2. 寸法安定性と歩留まりの限界

　前工程の微細な配線（1µm以下）を実現するには、基板が極めて平坦で寸法安定性が高い必要があります。

• 有機材料の歪み: 有機材料は熱膨張係数が大きく、プロセス中の温度変化や材料間のCTEミスマッチにより歪みや反りが発生しやすく、極微細なパターンの精度（アライメント）を確保することが不可能です。
• 低歩留まり: わずかな歪みや欠陥が、前工程レベルの微細さでは致命的な欠陥となり、歩留まりが極端に低下します。

3. コストと目的の乖離

　有機インターポーザーを採用する最大の目的は、低コストと大面積化です。

• コスト増: 前工程の設備（露光装置、ドライエッチング装置など）は非常に高価であり、それを有機材料のパネルに適用しようとすれば、有機インターポーザーの最大の利点である低コスト性が失われてしまいます。
• 技術的な折衷: 必要な性能は、既存のRDL技術（パッケージ後工程の微細配線技術）の延長で達成しようとするのが、有機インターポーザーの基本戦略です。

　有機インターポーザーは、「大面積・低コスト」という利点を最大限に活かすため、配線密度はシリコンに譲り、パッケージ製造プロセス（後工程）の技術進化によって微細化を図るのが主流となっています。