ガラス基板はCTE高めではんだひずみ半減｜Lauらの解析、PCBに近いCTEを推奨

ガラスコア基板の熱膨張係数（CTE）とは、温度が1 °C変わったときに材料が伸び縮みする割合を指す。Lauらの有限要素解析では、20 mm角のガラスコア基板にSiチップをCu–Cuハイブリッド接合で載せた構造で、ガラスのCTEを4.8から10×10⁻⁶/°Cへ上げると、基板とプリント基板（PCB）をつなぐはんだボールのひずみが1サイクルあたり16%から8%へ半減した。解析ではSiを2.8、PCBを18×10⁻⁶/°Cとしており、4.8はSiより高いがPCBよりかなり低い基準値だ。

Lauらはこの結果から、ガラスコアのCTEはSiではなくPCBに近づけるべきだと勧めた¹。チップと基板のあいだはアンダーフィルで守るが、基板とPCBのあいだのはんだボールにはアンダーフィルを入れないからだ。一方で、CTEの低いガラスはチップ側の接合には有利に働く。Leらの別の解析では、CTEの高いガラスほど端部のき裂を伸ばす力が小さく、ひずみと端部のき裂で同じ向きの結果が出ている。

ガラスコアは製品に残り、TGVと両面のRDLで上下をつなぐ

ガラスコア基板は、ガラス貫通電極（TGV：Through-Glass Via）と両面の再配線層（RDL）を支え、最終パッケージに残る構造だ。TGVはガラスを垂直に貫く銅の導体で、上面と下面のRDLの間に電流の経路を作る。RDLは、チップレットやHBMの端子位置をパッケージ側の配線へ引き直す薄膜配線だ。LPKFのガラスコア向けページも²、TGVを両面のRDLを結ぶ垂直配線と位置づけている。

同じ「ガラス基板」でも、加工中だけ薄いウェーハを支えるガラスキャリアは別物だ。SCHOTTは³、薄化やハンドリングに使うキャリアと、高密度配線を担うコアを別の用途として分けている。規格も分かれ、SEMI 3D16⁴はパッケージに永久に組み込まれるガラス基材を、SEMI 3D2⁵は仮接合に使う直径200 mmと300 mmのキャリアウェーハを対象にする。キャリアは仮接合・剥離とウェーハ薄化のあいだだけ使い、剥離と洗浄で取り除く。製品の反りやはんだの寿命に効くCTEは、コアの側の問題だ。

図1製品に残るコアと外すキャリア

製品に残るのはガラスコアで、キャリアは剥離と洗浄で取り除く。反りとはんだの寿命を左右するCTEはコアの値だ

解析では、ガラスコアはチップ側の接合を楽にし、PCB側のはんだに負担を移した

Lauらは、同じ著者らの前報の結果を次のように引いている。マイクロバンプでチップを載せた構成で、マイクロバンプにたまる非弾性ひずみは、ガラスコアで1サイクル4.43%、有機コアで9.12%だった¹。チップ側では、ガラスコアが有機基板より有利に働いた。

基板とPCBをつなぐはんだボールでは逆になった。ひずみはガラスコアで1サイクル19%、有機コアで8.43%と、ガラスコアのほうが2倍を超えた。Lauらは、ガラスコアのCTE 4.8×10⁻⁶/°CとPCBの18×10⁻⁶/°Cの差が大きいことを理由に挙げる。基板とPCBのあいだのはんだボールにはアンダーフィルがなく、Lauらは基板が大きいほどこの弱点が目立つとしている。

解析では、CTEを4.8から10 ppm/°Cへ上げるとPCB側のひずみが半分になった

Lauらは、10 mm角・厚さ350 µmのSiチップを、20 mm角・厚さ815 µmのガラスコア基板へ10 µmピッチのCu–Cuハイブリッド接合で載せ、PCBへはんだボールで実装した構造を解析した。Cu–Cu接合部のひずみは10⁻⁶台と小さく、最大のひずみは、はんだボールとPCBの界面の近くに出た¹。その値は1サイクル16.02%で、Lauらははんだ接合の信頼性には大きすぎるとしている。

ガラスのCTEを10×10⁻⁶/°Cへ上げると、角のはんだボールのひずみは1サイクル16%から8%へ下がった。Cu–Cu接合部の応力の大きさはほとんど変わらなかった。この解析では、チップ側の接合の条件をほぼ保ったまま、PCB側のはんだのひずみだけが半分になった。比べたCTEは4.8と10の2点だ。

Leらの解析でも、CTEの高いガラスほど端部のき裂を伸ばす力が小さかった

割れでも結果は同じ向きだった。Leらは2025年、510 mm×515 mmのパネルの両面に4層のRDLを積む工程を有限要素法で解析し、ガラスの品種ごとに端部のき裂を伸ばす力（エネルギー解放率）を比べた。D263、Gorilla、セラミックガラスは、borofloat 33や溶融石英より、き裂を伸ばす力がはっきり小さかった⁶。CTEはそれぞれ溶融石英0.57、borofloat 33が3.25、D263が7.2、Gorillaが8.14、セラミックガラスが9.3 ppm/°Cだ。RDLの銅は17.6 ppm/°C、絶縁膜のABFは22〜46 ppm/°Cと大きく、ガラスのCTEが高いほど積層との差が縮む。Leらは、ガラスのCTEの違いがき裂の進展を左右する主な要因だとまとめている。

図2CTE差で反りとクラックが出る場所

CTE差は銅とガラス、ビルドアップ層とガラスの界面に生じる。反りは構造全体に出て、き裂はTGV端とダイシング端面から伸びる

割れの起点と対策はガラスコアの割れの記事で扱う。

合成石英AQはTGVの損失が低く、溶融石英は解析でき裂を伸ばす力が最大だった

材料メーカーは、CTEの異なるガラスをすでにそろえている。SCHOTTのAF 32 eco⁷は3.2×10⁻⁶ K⁻¹の低膨張ガラスだ。日本電気硝子（NEG）⁸はガラスセラミックのGC Coreで6.1〜8.9 ppm/°Cの3品種を出し、熱設計に合わせてCTEを選べるコア基板を用意するとしている。

素材（公表元）	CTE	測定周波数	Dk	Df	曲げ強度
SCHOTT AF 32 eco（無アルカリのアルミノホウケイ酸ガラス）	3.2×10⁻⁶ K⁻¹（20–300 °C）	1 GHz	5.1	35×10⁻⁴	—
AGC EN-A1（無アルカリガラス）	—	10 GHz	5.8	60×10⁻⁴	—
合成石英AQ	—	10 GHz	3.8	2×10⁻⁴	—
NEG GC Core GCC-1（低誘電率型）	6.1 ppm/°C	2.45 GHz	3.9	13×10⁻⁴	150 MPa
NEG GC Core GCC-2（高膨張型）	8.9 ppm/°C	2.45 GHz	7.0	2×10⁻⁴	260 MPa
NEG GC Core GCC-3（高強度型）	7.4 ppm/°C	2.45 GHz	7.9	4×10⁻⁴	340 MPa

IEEE EPSの技術委員会資料⁹が引くTanakaらの測定では、側壁めっきのTGV1本が30 GHzで加える挿入損失は、無アルカリガラスEN-A1で0.48 dB、合成石英AQで0.23 dBだった。同じ資料はビアの充填でも比べ、側壁めっきのTGVの0.48 dBに対し、銅で完全に埋めたTGVは0.23 dBだった。

一方、Leらの解析で比べた溶融石英は、CTEが0.57 ppm/°Cと5品種で最も低く、端部のき裂を伸ばす力も最も大きかった。高膨張型のNEG GCC-2は、CTEが8.9 ppm/°Cで、2.45 GHzの誘電正接は2×10⁻⁴だ。

TGVの加工法ごとに、NEGは別のガラス組成を出した

IEEE EPSの資料によれば、CO2レーザーやエキシマレーザーで直接開けるとテーパー形のビアに、超短パルスレーザーで改質してからエッチングすると砂時計形のビアになる。NEGは2025年5月、レーザー改質とエッチングに合う新しいガラス組成を開発した¹⁰と発表した。CO2レーザー向けの品種とは別の組成だ。

TGVに銅を付けるには、ガラスと銅のシード層の間に、TiやZnOなどの密着層を電気特性を損なわない100 nm未満の厚さで挟む。伝送損失を下げるため、穴は銅で完全に埋める方式が好まれる。同じ資料が引く報告では、100個のTGVをつないだデイジーチェーン10本を−40 °Cと85 °Cで各30分保持の温度サイクルにかけ、完全充填と側壁めっきのどちらも1000サイクルまで抵抗が変わらなかった。

AGC、NEG、大日本印刷（DNP）は510 mm×515 mm前後のパネルを掲げる。AGCのTGV製品¹¹は510×515 mm、NEGは515×510 mm、DNPのコンフォーマル型TGV¹²は510×515 mmへの展開だ。各社の寸法と量産の目標年はガラスコアのパネル寸法と量産時期の記事にまとめた。

関連ページ

• 後工程ガラスコアの割れは靱性より積層の応力と端の傷で決まる
• 後工程ガラスコアのパネル寸法と量産の目標年
• 後工程テストとスクリーニング
• 装置・品質歩留まりと欠陥
• 企業研究企業研究：DNP

出典

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1. 1
   Lau et al.／J. Microelectron. Electron. Packag.：ガラスコア基板のフリップチップとはんだ接合の解析（2025年）doi.org ↩abc
2. 2
   LPKF：ガラスコア基板向けの加工lide.lpkf.com ↩
3. 3
   SCHOTT：先端ICパッケージ向けのガラスキャリアとガラスコアschott.com ↩
4. 4
   SEMI：3D16 半導体パッケージ用ガラス基材の規格store-us.semi.org ↩
5. 5
   SEMI：3D2 3DS-IC用ガラスキャリアウェーハの規格store-us.semi.org ↩
6. 6
   Le, Yoo, Choa／Micromachines：極薄ガラス基板の端部き裂の抑制策（2025年11月）doi.org ↩
7. 7
   SCHOTT：AF 32 ecoのデータシートmedia.schott.com ↩
8. 8
   日本電気硝子：無機コア基板とGC Coreの物性neg.co.jp ↩
9. 9
   IEEE EPS Advanced Substrates技術委員会：ガラスコア基板のTGV形成・金属化・信頼性（2025年11月）eps.ieee.org ↩
10. 10
    日本電気硝子：レーザー改質・エッチング用とCO2レーザー用の大型TGVガラスコア基板（2025年5月）neg.co.jp ↩
11. 11
    AGC：TGVガラス基板の仕様agc.com ↩
12. 12
    DNP：コンフォーマル型TGVガラスコア基板の開発（2023年3月）global.dnp ↩