[機能紹介] Moldex3D ICキャピラリーアンダーフィルの包括的シミュレーション

アンダーフィルプロセスの駆動力はキャピラリー（毛細管）作用であるため、表面張力と壁面付着条件の入力条件がシミュレーションにおける重要な要素になります。キャピラリーは気体-と液体の相互作用に基づく表面張力とメルトフロント分布から構成されます。フィラーと界面（基材）の間の壁面付着は、定常状態での接触角で記述されます。図2のヤングの式が示すように、接触角は気相、液相、固相の界面のバランス状態を表します。このように、接触角は多相バランスの定常状態を制御する重要な特性です。

図2. ヤングの式

アンダーフィル材は熱硬化性樹脂であるため、アンダーフィル封止を行った後のチップに対して再加工を行うことは困難です。また、キャピラリー（毛細管）作用を利用した流動および硬化には時間がかかり、開発段階における試行錯誤のコストが上昇する要因になります。開発コスト削減のためには、CAEシミュレーションが有効であり、それにより最適な条件を効率よく見つけることができます。

アンダーフィル材は高コストであるため、樹脂量を管理することも製造工程において重要な要素の1つです。ディスペンシング（吐出）箇所のほか、クリープの挙動によってチップ側面のバンプ箇所においても樹脂が流入する可能性があります。そのため、オーバーフローのシミュレーションは、アンダーフィルの質量制御の理解に役立つだけでなく、メルトフロントに起因 するボイド位置の予測評価にも役立ちます。図3に示すとおり、ディスペンシング（吐出）を行った後、樹脂は主としてキャピラリー（毛細管）作用、重力、および流体自身の粘度の3つの駆動力の影響を受けて流動します。そのため、樹脂量にはキャピラリー（毛細管）作用による充填挙動、チップ側面のクリープによる流動挙動、および樹脂自体が基板上で沈下した際の拡張流動挙動を考慮する必要があります。すなわち、CAEシミュレーションによる樹脂材料の利用を検討するには、これら3つの流動挙動についての総合的なシミュレーションを行わなければなりません。

図4のシミュレーションおよび実験の結果は、シミュレーションにおいてディスペンシング（吐出）およびクリープの流動箇所が無視できないものであることを示しています。従来のシミュレーションではディスペンシング（吐出）箇所およびクリープの効果が軽視されていたため、メルトフロントシミュレーションにおいてクリープによって縁から充填される効果が欠落していました。シミュレーション結果の品質を重視するため、Moldex3D では2020のバージョンからキャピラリーアンダーフィルモジュールで総合的なCAE解析を行えるようになっています。本モジュールではフリップチップ製品の詳細な三次元モデル（図5のとおりバンプ分布およびダイを含む）を使用しています。ディスペンシング（吐出）情報はマルチパス、パスごとの吐出量、ならびにディスペンサー移動の開始時間および速度について設定することが可能です（図6）。材料パラメータは充填剤と異なる素材の接触面との接触角について設定でき（図7）、環境因子の変化を考慮した充填挙動の計算が可能です。

図3. 樹脂流動関係図 ^[2]

図4. 実験およびシミュレーションにおけるクリープ挙動

図5. 3Dモデル

図6. ディスペンシング（吐出）設定

図7. キャピラリー（毛細管）作用関連の設定

Moldex3Dでは「流動時のディスペンシング（吐出）プロセス」、「バンプ箇所のアンダーフィル」および「ダイ外部の流動（クリープおよび拡張流動）」の計算が可能です（図8）。図9はディスペンシング（吐出）箇所の樹脂がアンダーフィルのプロセスに伴って沈下する状態変化を示したものであり、科学的シミュレーションプロセスにおいて総合的な物理的挙動を考慮することが必要であることを示しています。

図8. 充填解析

図9. ディスペンシング（吐出）箇所の変化模式図

以上のとおり、挙動が複雑で試行錯誤のコストが高いアンダーフィル封止プロセスに直面しても、Moldex3D を利用することにより、設計段階において解析を通じてディスペンシング（吐出）管理およびクリープ挙動を含むアンダーフィルに対する流動の影響を把握することが可能であり、試作材料量の削減や試作回数の低減といった効率化が可能です。