二氧化矽在固態與液態封裝中的應用與材料設計

在半導體封裝領域，二氧化矽（SiO₂）作為功能性填充材料，廣泛應用於固態與液態封裝技術，其主要作用在於調整熱機械性能、提升電氣特性，並確保材料穩定性。由於封裝技術日趨精密，SiO₂ 在配方設計中的粒徑控制、表面修飾以及填充量的優化成為影響封裝可靠性的關鍵因素。本文探討 SiO₂ 在固態與液態封裝中的應用機理與材料設計考量，並提供基礎配方參考。

1. 固態封裝（Solid Encapsulation）中的二氧化矽應用

材料設計與應用機理

在固態封裝材料（如 EMC, Epoxy Molding Compound）中，SiO₂ 主要作為填充劑（Filler）來調整封裝材料的熱膨脹係數（CTE），以匹配矽晶圓（CTE ≈ 2.6 ppm/°C），避免熱應力累積導致晶片開裂。此外，適當的 SiO₂ 填充量可顯著提升材料的機械強度與耐濕性能，進一步提高封裝的長期可靠性。

在高密度封裝（如 BGA, QFN, CSP）中，SiO₂ 的粒徑分布與表面改性對於成型特性與內部應力分布至關重要。一般而言，超細 SiO₂（< 1 µm）有助於改善流動性與填充性，但可能影響材料剛性；而中等粒徑（2-10 µm）則可有效降低 CTE 並提升機械強度，因此不同應用場景需權衡填充劑粒徑與比例。

關鍵功能與性能優化

1. CTE 調節與熱應力控制
   • SiO₂ 具有低熱膨脹特性（約 0.5–1.0 ppm/°C），可有效降低 EMC 的 CTE，典型配方可將封裝材料 CTE 從 40-50 ppm/°C 降至 10-15 ppm/°C，減少溫度循環下的應力累積。
2. 機械強度與耐用性
   • 高填充量 SiO₂（> 60 wt%）可顯著提升封裝材料的模量（Modulus）與硬度，防止因外部應力或熱機械負載導致封裝開裂。
3. 電氣絕緣與可靠性
   • 由於 SiO₂ 具有優異的電氣絕緣性能（介電常數 ~3.9），可有效抑制漏電現象，並確保封裝材料在高頻應用中的訊號完整性。
4. 耐濕性與長期穩定性
   • SiO₂ 的表面可透過矽烷偶聯劑（Silane Coupling Agent）進行改性，提升與樹脂基體的相容性，進而降低吸水率，減少因潮濕導致的界面剝離或 CAF（Conductive Anodic Filament）失效。

典型材料配方

2. 液態封裝（Liquid Encapsulation）中的二氧化矽應用

應用場景與機理

液態封裝材料主要用於底部填充（Underfill）、導熱膠（TIM, Thermal Interface Material）、光學封裝（Optical Encapsulation）與保護塗層（Conformal Coating）。在這類應用中，SiO₂ 除了作為填充劑來調整熱膨脹性能外，還需兼顧流變行為與光學特性，以確保封裝品質與長期穩定性。

液態封裝材料的關鍵設計因素包括 SiO₂ 的粒徑控制（影響黏度與流變特性）、表面改性（影響分散穩定性）以及填充量調整（影響機械與熱性能）。針對不同應用需求，可採用高填充量微米級 SiO₂（提高模量與耐熱性）或奈米級 SiO₂（調整光學特性與流動性）。

關鍵功能與應用優化

1. 流變性能控制
   • SiO₂ 可作為流變調整劑，使液態封裝材料在施加剪切力時降低黏度（Shear-Thinning Behavior），以提高填充均勻性，防止氣泡形成。
2. 機械強度與可靠性
   • 在底部填充材料中，SiO₂ 有助於增強樹脂的模量，減少晶片與封裝基板間的應力集中，提高封裝耐久性。
3. 光學特性調整
   • 高純度 SiO₂ 可作為光學封裝材料（如 LED、光學 MEMS）中的折射率匹配劑，以降低內部反射損耗並提高透光率。
4. 熱膨脹與導熱性能調整
   • 在導熱膠應用中，SiO₂ 的填充可降低 CTE，同時維持較低的熱導率，以確保封裝材料不影響散熱模組的整體性能。

典型材料配方

(延伸閱讀: 二氧化矽，奈米等級球形結構，是半導體封裝、銅箔基板填料的最佳選擇!!)

3. 結論與展望

二氧化矽在固態與液態封裝中扮演關鍵角色，其功能涵蓋 CTE 調節、機械強度增強、光學性能調整與流變行為控制。根據不同應用需求，需透過 SiO₂ 的粒徑選擇、表面改性與填充量優化來達成最佳性能匹配。隨著先進封裝技術（如 3D IC、FOWLP）的發展，SiO₂ 在異質整合與高可靠性封裝中的應用將更加多元，並驅動材料技術的進一步創新。

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