この記事で分かること

半導体パッケージ基板：NCFの無機フィラー

　パッケージ基板とは、半導体チップ（ダイ）を載せ、マザーボードなどのメイン基板に接続するための中継基板のことです。半導体チップは非常に微細な端子を持ち、そのまま一般的なプリント基板（PCB）に直接実装することは極めて困難です。

　そこでチップとマザーボードの間に介在し、電気信号を橋渡しする役割を持つのがパッケージ基板です。

　従来の半導体の微細化による性能向上が限界に近づく中、半導体の先端パッケージング技術であるビルドアップ多層構造による高密度・微細配線が求められ、半導体性能向上の新たな競争軸となっています。

　前回は熱圧着の方法の一種であるTC-NCFや利用される非導電性フィルムに関する記事でしたが、今回はフィルムに含まれる無機フィラーに関する記事となります。

無機フィラーの役割は何か

　無機フィラー（シリカやアルミナなど）は、樹脂材料（エポキシやアクリルなど）に混ぜ込むことで、樹脂単体では不足する物理的・熱的プロパティを補う役割を果たします。特に半導体パッケージングやNCF（非導電性フィルム）においては、主に以下の5つの役割を担っています。

熱膨張係数（CTE）の調整

　樹脂はシリコンに比べて熱膨張率が非常に高いため、加熱・冷却時に大きな熱歪みが生じます。熱膨張率の低いシリカなどを充填してシリコンの数値（約 2.6 ×10^-6/K）に近づけることで、反りや割れ、バンプの断線を抑止します。

放熱性（熱伝導率）の向上

　熱伝導率が低い有機樹脂に対し、熱伝導性の高いアルミナや窒化ホウ素（BN）などのフィラーを高密度で配合し、チップ内部の熱を外部へ逃がしやすくします。

機械的強度の向上（剛性アップ）

　樹脂マトリックスの弾性率や機械的強度を高め、熱圧着時の圧力や外部衝撃に対する構造的な変形やクラックを防止します。

粘度・流動性（加工性）の制御

　フィラーの粒径や配合比率を最適化することで、加熱溶融時の樹脂の流動挙動をコントロールし、微細バンプ間への確実な充填とボイド（気泡）の排除を実現します。

耐湿性・電気絶縁性の保持

　水分透過を抑制して吸湿による膨張やバンプ金属の酸化腐食を防ぎ、長期的な信頼性と電気絶縁性を高めます。

　近年のHBMなどではバンプ間隔が数μmレベルまで狭小化しているため、フィラーがバンプ間に挟まって疎通不良を起こさないよう、ナノサイズ〜サブミクロン単位の超微粒子フィラーが使用されています。

配合が多すぎるとどんな問題があるのか

　無機フィラーを過剰に配合（高充填）すると、樹脂本来の機能や加工性が損なわれ、主に以下のような問題が発生します。

流動性の低下（粘度上昇）とボイド発生

　溶融時の粘度が大幅に上がり、樹脂がドロドロになるため、数ミクロン単位の極小ギャップ（バンプ間）に流れ込みにくくなります。その結果、樹脂が充填しきれず気泡（ボイド）が残留します。

接着力（密着性）の低下

　バインダー（接着剤）の役割を果たすエポキシなどの樹脂成分の割合が減るため、シリコンダイや金属バンプとの界面密着性が低下し、剥離（デラミネーション）が起きやすくなります。

バンプ挟み込みによる導通不良

　熱圧着（TCB）の際、溶融樹脂と一緒にフィラーが押し出されず、バンプ接合面（Cu-Sn間）に挟まって物理的な電気的接続障害（オープン不良）を引き起こします。

材料の脆化（柔軟性の喪失）

　弾性率が上がりすぎて材料全体が固く脆くなり、屈曲衝撃や熱ショックによってかえってヒビ（クラック）が入りやすくなります。

フィルム成形性の悪化（NCFの場合）

　NCFのように数〜十数μmのシート状に成形・保持する際の可塑性が失われ、フィルムが割れやすくなったり厚みが不均一になったりします。

無機フィラーの種類と使い分け方は

　半導体材料や高分子複合材料で使用される無機フィラーは、「要求される機能（熱膨張率、放熱性、電気特性など）」に応じて材料種や形状を使い分けます。

1. 主な無機フィラーの種類と特徴

• シリカ（二酸化ケイ素 / SiO2）
  • 特徴: 熱膨張率（CTE）が極めて低く、シリコンに物性を近づけるのに最適。コストと性能のバランスが優れる。
  • 形状: 現在は流動性を高めた「球状シリカ」が主流。
• アルミナ（酸化アルミニウム / Al2O3）
  • 特徴: シリカの約10〜20倍の熱伝導率を持つ。高い放熱性と絶縁性を両立できるが、比重が重く硬度が高い。
• 窒化ホウ素（BN） / 窒化アルミニウム（AlN）
  • 特徴: アルミナを凌ぐ超高熱伝導性と低誘電率を持つ。層状構造（BN）による潤滑性・絶縁性にも優れるが高コスト。
• 水酸化アルミニウム / 水酸化マグネシウム
  • 特徴: 加熱時に水分を放出して吸熱する。ハロゲンフリーの難燃剤として機能。

2. 使い分けの目的別アプローチ

目的・要求特性	最優先で選定されるフィラー	主な用途例
反り・割れ防止（低熱膨張）	球状シリカ	NCF（基本配合）、アンダーフィル、EMC（封止材）
高放熱（熱逃がし）	アルミナ、窒化ホウ素（BN）	高放熱NCF、TIM（放熱シート）、パワー半導体
高充填・流動性維持	ナノ〜サブミクロン球状フィラー	微細バンプ用の極薄NCF、再配線層（RDL）
高周波・高速通信（低誘電）	中空シリカ、窒化ホウ素	先端パッケージ基板、5G/6G対応材料
環境・難燃性	水酸化物系	一般プリント基板、車載用樹脂

形状とサイズの組み合わせ

材料種だけでなく、「球状化して粘度を下げる」、「大径と小径を混ぜて充填率を上げる」、「バンプピッチより小さいサブミクロン径にして接続障害を防ぐ」といったサイズ・形状の最適化とセットで使い分けられます。

NCF用無機フィラーの有力メーカーはどこか

　NCF（非導電性フィルム）をはじめとする先端半導体材料向けの無機フィラー（シリカ、アルミナ、窒化ホウ素など）では、高い球状化技術やサブミクロン〜ナノ単位の微粒子制御技術を持つ日本企業が世界的な市場シェアを握っています。

1. 超微粒子・ナノシリカの有力メーカー

　NCFはフィルム自体が数〜十数μmと極薄であり、微細バンプ間に挟まりを生じさせないため、サブミクロン（1μm未満）以下の超微粒子シリカが不可欠です。

• アドマテックス（Admatechs）
  • 特徴：独自製法（VMC法）による高純度・真球状の超微粒子シリカ（製品名「アドマファイン」など）を展開。
  • 強み：サブミクロン〜ナノサイズの微粒子分野で世界トップクラスのシェアを保持。NCFやアンダーフィルなどの微細狭ギャップ用途で事実上の標準材料となっています。
• デンカ（Denka）
  • 特徴：半導体封止材用「球状シリカ」のグローバル大手。
  • 強み：高温溶融球状化技術に長け、NCF向けに粒径を精密制御した超微粒子タイプ（SFPシリーズなど）をラインナップしています。
• 龍森（TATSUMORI）
  • 特徴：半導体封止材用シリカフィラーの老舗・パイオニア企業。
  • 強み：高純度かつ流動性に優れた溶融球状シリカを長年供給しており、信頼性の高い素材ベースとして広く採用されています。
• 日鉄ケミカル＆マテリアル（旧 新日鉄住金マテリアルズマイクロン）
  • 特徴：溶融球状シリカおよびアルミナフィラーの大手。高充填と高流動性を両立する独自の粒子径分布制御技術を持ちます。

2. 高放熱フィラー（アルミナ・窒化ホウ素）の有力メーカー

　HBMの高層化（12層・16層）に伴う放熱課題に対応するため、高熱伝導フィラーの需要が急増しています。

• デンカ（Denka）
  • 球状アルミナに加え、熱伝導率の異方性を克服した「球状・ナノサイズの窒化ホウ素（BN）」などの次世代高放熱フィラーを開発・提案しています。
• レゾナック（Resonac）
  • NCF自体のトップメーカーであると同時に、自社で樹脂への高充填が可能な「高放熱・高絶縁の窒化ホウ素（BN）フィラー」の粉末材料開発も手掛けています。
• トクヤマ（Tokuyama）
  • 高純度の窒化アルミニウム（AlN）粉末などで高い技術を持ち、超高放熱性が求められる先端パッケージ用途で評価されています。