相互接続の信頼性は、半導体パッケージや電子システムの信頼性にとって極めて重要である。
チップからシステムまでのライフサイクル、すなわちIC設計、ウェハーファブ、パッケージング、基板アセンブリ、システムインテグレーションに目を向けると、共通する要素は、現場での電子システムの信頼性を支える「相互接続の糸」である。半導体パッケージングの主な目的は、チップからシステムまでの相互接続をさまざまなレベルで生成することです。ダイから基板、部品終端、そしてPCBとシステムまでの相互接続には、再配線層（RDL）、シリコン貫通ビア（TSV）、ワイヤーボンディング、はんだ接合、バンプ/ボール、直接Cuボンディングなど、さまざまな形態があります。また、（エレクトロニクスの代わりに）フォトニクスを介することもある。システムレベルでは、コネクタ、ファイバー、ケーブルなどの相互接続が、電子システムの信頼性において重要な役割を果たします。
基本的に、半導体パッケージングは、ICからシステムまでの信号チェーンに沿って、信号と電力の分配のための相互接続を作成します。過去60年間、半導体パッケージングは、相互接続をより短くするという全体的な傾向とともに進化してきました。「Less is Moore」-小型化は、性能、電力、面積、コスト、信頼性（PPACR）にとって良いことです。
チップの電気的性能のために使用される低誘電体は機械的特性が劣るため、チップからパッケージへの相互接続の信頼性を確保するためには、まずチップパッケージ相互作用（CPI）を考慮する必要があります。チップが様々なパッケージング工程を通過すると、発生した機械的応力がチップに伝搬し、ミスアライメント、変形、誘電体破壊を引き起こす可能性があります。CPI問題を管理するためには、マルチレベル・マルチスケールモデリングによって、基板とはんだバンプからチップ内の誘電体層への応力伝播を評価する必要があります（図1）。
はんだ相互接続の信頼性については、クリープ疲労相互作用によって低サイクル疲労を引き起こす熱サイクルや、クラックの発生と進展によってはんだ接合部の破壊を引き起こす高サイクル疲労を引き起こす繰返し曲げや振動など、さまざまな繰返し荷重条件を検討する必要があります（図 2）。また、落下や機械的衝撃などの動的な機械的負荷条件についても検討する必要があります。これは、基板の高周波屈曲やはんだ接合部の破壊を引き起こす可能性があります。動的な機械的信頼性のために考慮すべき重要な要素には、ひずみ速度依存性、応力集中、界面金属間化合物（IMC）などがあります。
鉛フリーのSAC(Sn/Ag/CU)合金は多くの用途の要求を満たすことができますが、SACのクリープひずみ率は応力によって増加し、特定の高応力レベルではSnPbのそれを上回るため、高応力レベルでは不足します。このような高応力レベルは、高い熱膨張係数（CTE）の不一致、大きな熱サイクル範囲、大きな部品サイズ、低いスタンドオフ高さなどが原因で発生します。詳細は、書籍「鉛フリーはんだ相互接続の信頼性」（図3）に記載されています。
このような背景から、析出硬化と溶液硬化により信頼性を向上させた新しいはんだシステムが開発され、はんだペーストは非常にボイドの少ない配合となっている。リフロー工程がSAC工程と非常に類似しているため、「ドロップイン」はんだソリューションと考えられています。この新しい材料は、熱サイクル中のはんだ相互接続において、クラックの発生を遅らせ、クラックの進展を遅らせることで、優れた信頼性性能を実証しています。
多くの場合、部品への熱影響を軽減し、多くの品質問題を引き起こす可能性のある基板の反りを軽減するために、低いはんだ付け温度が必要になることがあります。また、"ステップはんだ付け "として知られる階層的プロセスに低温はんだが必要な状況もあります。低温はんだは、組立工程におけるエネルギー消費の削減にも役立ちます。既存の低温合金（SnBiなど）は、もろさのために落下衝撃試験で低い性能を示してきた。200～210℃のピーク温度でのリフローに対応する新しい材料が開発され、熱サイクルや機械的衝撃に対して優れた性能を発揮します。
機械的負荷に加えて、電気的負荷も相互接続の信頼性問題を引き起こす可能性があります。エレクトロマイグレーションは電流が流れると発生し、相互接続の故障につながります（図4）。特定のはんだ合金（SnBiなど）はエレクトロマイグレーションを起こしやすいことが知られています。これは、微細化された相互接続において電流密度が増加するにつれて、より懸念されるようになっています。
時には、意図した相互接続が存在しないために故障が発生するのではなく、意図しない相互接続が存在するために故障が発生することもある。そのような例のひとつが錫のウィスカー（図5）である。これは自然発生的なフィラメントで、成長は非常に遅いが、数年後に故障を引き起こすことがある。
PCBや基板の導電性アノード・フィラメント(CAF)は、あるビアから隣のビアへ、電気バイアス下で銅フィラメント(図6)が結露したガラス繊維とエポキシ樹脂の隙間を通って成長するものです。同様に、デンドライト（図7）は、電気バイアス下でフラックス残渣（イオン汚染をもたらす）の存在下での電気化学的移動によって成長し、電気回路の "ショート "を引き起こします。
5G や 6G の時代に入り、フラックス残渣が高周波回路のシグナル・インテグリティに与える影響は特に注目されています。フラックス残渣は高周波における信号の代替経路となる可能性があり（図8）、シグナル・インテグリティに対するフラックス残渣の影響は水分の存在に非常に敏感である。このような点を考慮し、ウェッティングには十分であるが回路への影響が大幅に低減された超低残渣（ULR）無洗浄フラックス配合の開発が進められており、これらは洗浄を伴わない成形やアンダーフィルにも対応している。
ファインピッチ相互接続(10μm 以下)のための非常にエキサイティングな開発は、"ハイブリッド・ボン ディング"のような銅の直接相互接続です。このプロセスは、相互接続経路が短いため挿入損失が少なく、シグナル・インテグリティだけでなく、優れた相互接続信頼性を提供します。
エレクトロニクス製品がアプリケーションに浸透するにつれ、相互接続の信頼性は、機械的、熱機械的、電気的、電気化学的といった環境条件に関して総合的に考慮される必要があります。異種集積の採用が進むにつれ、同一パッケージ内の相互接続（形状、材料、インターフェイスが異なる）の多様性が増し、複雑な（しばしば相互作用する）信頼性故障モードや故障メカニズムが発生するようになります。これらの考慮は、設計、材料、プロセス、テストを含む半導体デバイスの信頼性エンジニアリングに影響を与える。
詳細については、Dongkai Shangguan[email protected] までお問い合わせください。(詳細は、2022年IEEE Symposium on Reliability of Electronics Packaging & Photonicsでの招待基調講演でもご覧いただけます)。
