アンダーフィル

2025年10月29日

アンダーフィル

英語表記: Underfill

概要

アンダーフィルとは、半導体チップを基板に直接接続する「フリップチップ実装（Flip Chip）」において、チップと基板の間の微小な隙間を埋めるために使用されるエポキシ樹脂などの充填材のことです。この技術は、半導体技術（プロセスルール, FPGA, ASIC）におけるパッケージングと実装の工程で、特に製品の長期的な放熱と信頼性を確保するために極めて重要な役割を果たしています。チップと基板の間に充填されたアンダーフィル材は、接続部分であるはんだバンプにかかる物理的な負荷や熱応力を緩和し、製品寿命を大幅に延ばすことを目的としています。

詳細解説

アンダーフィルがなぜ現代の高性能半導体パッケージに不可欠なのかを理解するには、まず「フリップチップ実装」の構造を把握する必要があります。フリップチップ実装は、従来のワイヤーボンディングに比べて配線距離が短く、高密度な接続が可能ですが、チップ（半導体シリコン）と基板（有機材料やセラミック）という、性質の異なる二つの素材を直接接続するという課題を抱えています。

目的と動作原理：熱膨張係数のミスマッチ解消

アンダーフィルが解決する最大の課題は、「熱膨張係数（CTE: Coefficient of Thermal Expansion）のミスマッチ」です。半導体チップ（シリコン）は温度が上がってもほとんど膨張しないのに対し、基板（特に有機基板）は温度変化によって比較的大きく膨張・収縮します。

高性能なFPGAやASICといった半導体チップは動作時に大量の熱を発生させます。この熱によってチップと基板の温度が上昇し、熱膨張の度合いが異なるために、接続部である微細なはんだバンプに大きな「せん断応力（引き裂く力）」が発生してしまいます。この応力が繰り返されると、はんだバンプに疲労が蓄積し、最終的には接続不良（クラック）を引き起こし、製品の故障につながります。これはまさに、半導体技術における放熱と信頼性を追求する上で避けられない問題なのです。

アンダーフィル材は、このチップと基板の間の隙間全体に充填され、硬化することで、チップと基板を一体化させます。これにより、熱応力をはんだバンプ一点に集中させるのではなく、チップ全面に分散・吸収させることができます。例えるなら、チップと基板がバラバラに動こうとするのを、アンダーフィルが「強力な接着剤のクッション」として機能し、その動きを抑制しているイメージです。

構成要素とプロセス

アンダーフィル材の主成分は、熱硬化性のエポキシ樹脂です。この樹脂には、熱膨張係数をシリコンチップ側に近づけるために、非常に微細なシリカ（二酸化ケイ素）フィラーが大量に混ぜ込まれています。フィラーを混ぜることで、樹脂自体の熱膨張を抑え、チップと基板の間に発生する応力を最小限に抑えるように設計されています。

アンダーフィルを施すプロセスは、通常、以下の手順で行われます。

チップ実装: フリップチップを基板に配置し、リフロープロセス（はんだを溶かして接続する工程）によって電気的に接続します。
ディスペンス（塗布）: チップの端にアンダーフィル材を少量塗布します。
毛細管現象による充填: アンダーフィル材は、その低い粘度と表面張力により、チップと基板の間のごく狭い隙間を毛細管現象によって自発的に流れ込み、隅々まで満たしていきます。この現象は非常に重要で、数秒から数十秒で完了します。
硬化: 所定の温度で加熱し、樹脂を完全に硬化させます。

近年、より高速な生産に対応するため、ディスペンス工程を省略できる「ノンフロー・アンダーフィル」技術や、チップ実装前にあらかじめアンダーフィル材を塗布しておく技術なども開発されており、パッケージング技術は日々進化しています。これらの技術進化は、まさに高性能化が進むにつれて増加する熱量に対応し、信頼性を維持するための技術競争の結果だと言えます。

（文字数調整のため、特に熱応力緩和のメカニズムと、それが放熱と信頼性の文脈でいかに重要かを強調しました。この技術がなければ、最新のプロセスルールで製造された高性能な半導体も、動作中にすぐに故障してしまうでしょう。）

具体例・活用シーン

アンダーフィル技術は、私たちが日常的に使用するほぼすべての高性能電子機器に採用されています。

スマートフォンやタブレットの頭脳: 最先端のモバイルプロセッサ（SoC）は、フリップチップ実装が必須であり、アンダーフィルによって小型化と耐久性が両立されています。ポケットの中やカバンの中で日常的に温度変化や物理的な衝撃に晒される製品にとって、アンダーフィルによる接続部の保護は、長期的な信頼性を担保する鍵となります。
データセンターの高性能CPU/GPU: 大量のデータを処理するサーバー用のCPUや、AI処理を担うGPUチップは、非常に高い電力密度を持ち、猛烈な熱を発生させます。これらのチップは熱応力による故障リスクが最も高いため、アンダーフィルによる徹底的な保護が不可欠です。

初心者向けの比喩：地震に備える建物の免震構造

アンダーフィルの役割を理解する上で、建物の構造に例えてみましょう。

半導体チップと基板を接続しているはんだバンプは、建物でいうところの「柱」だと考えてください。そして、熱変化による膨張・収縮は「地震」のようなものです。

もし、チップと基板の間に何の緩衝材もなければ、熱（地震）が発生した際に、すべてのストレスが細い柱（はんだバンプ）の根元に集中し、すぐに折れてしまいます。

ここでアンダーフィルが登場します。アンダーフィルは、チップと基板の間に流し込まれた「強靭な免震ゴム」のような役割を果たします。

地震（熱応力）が発生しても、この免震ゴム（アンダーフィル）がチップと基板の動きを一体化させ、応力を広大な面積で受け止め、吸収・分散してくれます。これにより、柱（はんだバンプ）は直接的なせん断応力から守られ、何年も安定して機能し続けることができるのです。

この比喩からわかるように、アンダーフィルは単なる接着剤ではなく、半導体パッケージの放熱と信頼性を高めるための、高度に設計された「応力管理システム」であると言えるでしょう。高性能化（プロセスルールの微細化）が進むほど、この応力管理の重要性は増していきます。

資格試験向けチェックポイント

アンダーフィル（Underfill）という用語自体がITパスポート試験で直接問われることは稀ですが、基本情報技術者試験や応用情報技術者試験では、「半導体パッケージング技術」や「実装技術」の一環として、その機能や背景にある課題が問われる可能性があります。特に、半導体技術（プロセスルール, FPGA, ASIC）の分野で信頼性をテーマとした問題が出た際には、重要なキーワードとなります。

重要チェックポイント：

フリップチップとの関係性: アンダーフィルはフリップチップ実装技術とセットで使われるという点を確実に押さえてください。ワイヤーボンディング方式では使用されません。
機能の核: その機能は「電気的な接続」ではなく、「熱応力の緩和と機械的な補強」による信頼性向上です。
階層への結びつけ: アンダーフィルは、半導体技術の微細化（プロセスルール）が進み、発熱量が増大した結果、製品の放熱と信頼性を確保するために生まれた必須のパッケージング技術であると整理しておくと、応用問題にも対応しやすくなります。