この記事で分かること

半導体パッケージ基板：MR-MUFの液状樹脂

　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。

　前回は熱圧着方式のMR-MUFに関する記事でしたが、今回はMR-MUFに使用される液状樹脂に関する記事となります。

MR-MUFに使用される液状樹脂とは何か

　MR-MUFに使用される液状樹脂は、高熱伝導性のエポキシ樹脂に微細なセラミックフィラー（シリカ微粒子等）を高密度で配合した、特殊な熱硬化性液状封止材（Liquid EMC / MUF材料）です。

　DRAMチップ間の極小隙間（数微メートル）を均一に満たす流動性と、高負荷なAI処理で生じる熱を外部へ逃がす高い熱伝導性を両立するよう化学設計されています。

主な構成成分

• 液状エポキシ樹脂（主剤・硬化剤）: 熱を加えることで固まるベース素材。極めて高い流動性（超低粘度）を持ち、微細構造への高い浸透性と硬化後の電気絶縁性を担保します。
• 無機フィラー（球状シリカ等）: 熱伝導率を大幅に引き上げるための微細な球状シリカ（$\text{SiO}_2$）などの粒子。樹脂の中に高密度で均一に分散されています。
• 応力緩和剤・密着性向上剤: 加熱・冷却時の歪みを吸収し、シリコンチップやバンプ（接続電極）との剥離を防ぐ添加剤です。

従来のフィルム材（NCF）と異なる4つの主要特性

• ボイドレス超流動性
  高密度にバンプが並ぶ極小隙間へ、気泡（ボイド）を残さず一括でスムーズに流れ込みます。
• 高い熱伝導性（優れた放熱性能）
  フィルム材には配合しにくい高密度の熱伝導フィラーを含ませることができるため、チップ内部の熱を効率よくパッケージ外部へ伝達します。
• 熱膨張率（CTE）の整合・反り防止
  樹脂全体の熱膨張係数をシリコンチップの値に近づけることで、製造時の加熱冷却工程や動作時の熱ストレスによる「チップの反り」や「接合部の破断」を防ぎます。
• 一括モールド（隙間充填と外装保護の同時処理）
  チップ間の隙間を埋める「アンダーフィル」と、積層体全体を覆う「外装パッケージング」を1工程で完了させ、機械的強度と耐湿信頼性を同時に高めます。

エポキシ樹脂で高い流動性を実現するのはなぜ難しいのか

　エポキシ樹脂で高い流動性（低粘度）を実現するのが難しい最大の理由は、「放熱性・熱伸縮を抑えるための固形フィラー添加」と「流動性」が原理的に相反（トレードオフ）するからです。

主な要因

• 高密度フィラー（無機粒子）による流動阻害
  • HBMなどの半導体用樹脂には、放熱性の向上とシリコンに合わせた熱膨張率（CTE）の低下を狙い、微細なシリカなどの固形粒子（フィラー）を重量比で70〜90%も混ぜ込みます。液状樹脂の中に固形粒子が高密度で存在する状態となるため、粒子同士の摩擦や密着によって粘度が著しく跳ね上がります。
• 低粘度化と耐熱性（Tg）・機械強度のトレードオフ
  • ベースとなるエポキシ樹脂自体の分子量を小さく（短く）すれば粘度は下がりますが、そのトレードオフとして硬化後のガラス転移温度（Tg）や耐熱性、耐湿性、強度が低下します。高発熱なAI半導体に耐える物性と低粘度を両立させるのは化学的に非常に困難です。
• 微粒子同士の凝集と分子間力
  • 微細な隙間に浸透させるためフィラーを極小化すると、粒子の表面積（比表面積）が増大し、ファンデルワールス力などによって粒子同士が凝集しやすくなります。これが液体の流れを妨げる「粘着性」を生み、数微メートルの隙間をスムーズに通れなくなります。

ナミックスなどはどのように対応したのか

　ナミックスなどの素材メーカーは、「フィラー（粒子）の精密制御」と「樹脂の分子構造設計」の双方からアプローチし、相反する流動性と高機能を両立させました。

真球状フィラーと多峰性（マルチモーダル）粒径設計

• ベアリング効果: 粒子の角をなくした完全な「真球状シリカ」を採用し、粒子同士の摩擦を劇的に低減。
• 最密充填: 大・中・小異なるサイズの粒子を計算された比率で最適にミックス。大きな粒子の隙間に小さな粒子が収まる構造にすることで、液体としての流動性を保ちつつ高密度な配合を実現しました。

ナノレベルの表面処理（シランカップリング）

• フィラー表面に特殊な化学修飾を施すことで粒子同士の凝集を防ぎ、樹脂液中で粒子が滑らかに滑る界面特性を付与しました。

高耐熱性を維持する特殊エポキシ骨格の開発

• 単に分子量を小さくしてサラサラにするのではなく、注入時は低粘度でありながら硬化後には強固な網目構造を形成する特殊な剛直骨格（ビフェニル型など）を採用。低粘度と硬化後の高い耐熱性（Tg）・機械強度の両立に成功しました。

潜在性（遅延）硬化触媒の導入

• 数微メートルの狭い隙間へ流れ込み終わるまでは重合反応を進めず超低粘度を維持し、充填完了後に一気に硬化を開始する触媒・硬化システムを導入しました。