2a.4 実装応力と界面信頼性
2a.4 Mechanical Stress and Interface Reliability
📘 概要｜Overview
本節では、SystemDKにおいて重要な物理制約である
実装応力（Mechanical Stress）と
界面信頼性（Interface Reliability）の設計観点を扱います。
This section addresses the key physical constraints of
mechanical stress and interface reliability in SystemDK-level design.
パッケージ材料、接合構造、温度変化による膨張差などが、
長期信頼性や実装故障の主要因となります。
🧱 応力・変形に関する基礎｜Basic Stress & Deformation Concepts
| 用語 / Term | 説明 / Description |
|---|---|
| 応力（Stress, σ） | 単位面積あたりの力（N/m²） |
| 歪み（Strain, ε） | 単位長さあたりの変形量（無次元） |
| ヤング率（Young’s Modulus, E） | 応力/歪みの直線関係係数（剛性指標） |
| CTE（線膨張係数） | 温度1℃あたりの伸び率（ppm/°C） |
| 熱応力（Thermal Stress） | 異なるCTE間での温度差による応力発生 |
🔍 主な応力起因の不具合例｜Common Stress-Induced Failures
| 不具合 | 原因 | 対策例 |
|---|---|---|
| バンプクラック | チップ–サブ基板間のCTE不整合 | アンダーフィル材、CTEマッチング |
| TSV剥離 | TSV–Si界面の熱サイクル応力 | バッファ層設計、低応力構造 |
| RDL割れ | カッパー配線層の屈曲・熱応力 | 線幅最適化、緩衝層挿入 |
| TIMポンピング | 熱サイクルでの厚み変動 | TIM選定・表面整合性の改善 |
🧰 応力設計の実務ポイント｜Practical Stress-Aware Design Tips
- 材料選定：CTE, E値, 弾性率、界面強度を考慮
- アンダーフィル／バッファ材の導入による緩衝
- FEM応力解析：パッケージ3Dモデルによる熱応力分布評価
- 応力拡散経路と構造的対称性の設計（BGA配置、ヒートスプレッダ）
- Reliability Simulation：Thermal Cycling, Drop Test, Moisture Resistance
🧪 応力と信頼性評価手法｜Stress and Reliability Evaluation
| 評価法 | 内容 / Description |
|---|---|
| TCT（Thermal Cycling Test） | 熱サイクル環境下での界面・接合強度評価 |
| Warpage測定 | チップ・基板の反り評価（干渉干渉計等） |
| X線CTスキャン | 接合部のクラック・剥離の可視化 |
| パッケージリフロー評価 | SMT時の瞬間加熱に対する耐性確認 |
🎓 教育的メッセージ｜Educational Message
「熱を流せば応力が生じる」
パッケージ設計は“力と熱の結びつき”を意識した設計図に進化する。
“Heat always brings stress.”
Packaging design must evolve to reflect the coupled relationship of thermal and mechanical domains.
🔗 関連節｜Linked Sections
f2a_3_thermal.md：熱応力との連携設計f2a_5_emi_emc.md：接地構造と振動によるノイズ影響f2a_6_constraint_tradeoff.md：構造強度と放熱の設計トレードオフ
📎 参考資料｜References
- “JEDEC JESD22-A104C: Temperature Cycling Test”
- “Thermo-Mechanical Reliability in 3D ICs,” IEEE CPMT
- Jisso Reliability Handbook, Japan Electronics Packaging Institute
- ANSYS Mechanical / ABAQUS FEM User Guides