再聰明的AI晶片也要防變形 ，低CTE才是MVP

隨著AI晶片性能推進，封裝穩定性正成為關鍵挑戰。從熱膨脹係數（CTE）出發，材料如何精準控制尺寸變形，成為確保系統長效運作的重要課題。

 

 

 

 

當AI運算能力飛速提升、晶片面積與封裝層數不斷擴張，封裝結構所承受的熱機應力也隨之大幅增加。

 

 

無論是數百TOPS的AI加速器，還是高頻低延遲的高速交換器，當封裝因溫度變化而變形、彎曲甚至失效時，再先進的演算法也無法發揮。

 

 

封裝穩定度，已成為AI運算穩定輸出的隱形守門員。而其中，

 

材料的熱膨脹係數（CTE）

 

正是影響翹曲與應力控制的核心關鍵之一。

 

 

什麼是CTE?

 

 

CTE（Coefficient of Thermal Expansion，熱膨脹係數），用來描述材料在溫度變化下尺寸膨脹或收縮的能力。每當溫度上升，材料的分子鏈振動幅度增加，導致體積與尺寸膨脹。CTE數值愈高，材料受熱時膨脹得愈快；

 

 

反之，CTE愈低，尺寸穩定性愈好。在多層材料組成的封裝中，若不同材料間的CTE差異過大，就容易產生熱應力，進而引發翹曲、脫層、裂紋等可靠性問題。因此，如何設計出CTE適配、膨脹協調的材料系統，成為封裝材料設計的核心挑戰。

 

 

影響CTE的關鍵因素

 

 

材料的CTE並非單一屬性，而是受到多個結構與組成因子的交互影響。首先，分子結構是基礎，例如環氧樹脂中的剛性芳香環、有機矽樹脂中的柔性Si–O鍵，都會改變分子鏈的熱膨脹行為。

 

 

其次，交聯密度也是重要變數。交聯度越高，分子鏈之間的移動空間受到限制，CTE通常也會隨之降低。

 

 

再來，填料系統對CTE的控制更為直接。加入如矽微粉（SiO₂）、氧化鋁（Al₂O₃）、氮化矽（Si₃N₄）等低CTE無機填料，可大幅拉低整體材料的熱膨脹。

 

 

除此之外，界面黏結性、硬化收縮、吸濕行為，甚至填料粒徑與分布均勻性，都會在細部影響材料的CTE表現。因此，設計低CTE材料，從分子設計到填料工程，每一環節缺一不可。

 

 

表一 常見材料CTE

 

類別	主要材料	典型CTE (ppm/°C)	應用
環氧改質系統	雙酚F環氧	30~50	封裝底填、模封膠
苯並環系	Benzoxazine	20~30	IC基板、高頻載板
聚酰亞胺	Polyimide	10~30	COF、FPC
聚醚系統	芳香族聚醚 (如ELPAC HC-G)	~20	伺服器、高頻通訊板
矽微粉填充	SiO₂填料	0.5	底填、封裝膠
氮化鋁	AlN	4~5	散熱基板、IGBT
氮化矽	Si₃N₄	2~3	高功率封裝
碳化矽	SiC	4~5	高溫高壓模組
鉬	Mo	4~5	導熱緩衝層

 

 

低CTE材料的應用趨勢與產品設計重點

 

 

1. 5G/AI封裝用低翹曲樹脂（多層複合膠材內補償應力）

 

 

在5G與AI高運算封裝中，為了抑制大型晶片模組在溫循下的翹曲變形，樹脂體系多採用剛性環結構改質環氧，搭配高填充比矽微粉或氮化矽，並透過多層複合堆疊設計，讓不同熱膨脹行為在層間相互補償，提升整體結構穩定性。

 

 

2. 面板用光學膠材（尺寸穩定性控制）

 

 

對於光學面板用光學膠材而言，材料需同時具備低CTE與高透明、高耐黃變特性，常採用環烯烴結構或低極性聚醚改質體系，避免長期尺寸飄移影響光學對位精度。

 

 

3. 先進基板用低變形樹脂（Fan-Out、Chiplet等封裝）

 

 

在先進基板應用（如Fan-Out、Chiplet整合）領域，則需發展低變形、高尺寸控制精度的薄型樹脂體系，樹脂設計上會導入高交聯密度與窄粒徑級配的無機填料，進一步壓低整體膨脹行為，同時維持良好流動性與加工穩定性，支撐未來多晶片整合架構的穩定運作需求。

 

 

膨脹係數不合，訊號說掰掰

 

 

在AI與高頻應用中，訊號的穩定性與準確度（SI，Signal Integrity）尤其重要。封裝中若出現幾十微米的變形，就可能讓訊號線長度產生變化，進而影響傳輸時序與阻抗配對。

 

 

更嚴重的是，多層封裝架構（如2.5D、Fan-Out、Chiplet）中任一層若產生翹曲，都可能導致焊點接觸不良，甚至訊號錯位或跳層。低CTE膠材的選用，不只是抗裂，更是訊號穩定的守門員。

 

 

從低CTE到負CTE，精準控溫的下一個戰場

 

 

AI晶片愈來愈強，封裝愈來愈複雜，光靠單純低CTE已經不夠了。當多晶片整合、多層堆疊、局部高熱區愈來愈常見時，材料的熱膨脹補償也開始邁向負CTE材料的新領域。

 

 

像是氧鎢鋯（ZrW₂O₈）、鋰鋁矽酸鹽（β-eucryptite）這類特殊填料，能在升溫時微幅收縮，搭配傳統樹脂混合後，形成更穩定、更平衡的複合膠材，進一步壓縮整體封裝的尺寸變化。

 

 

表2 負CTE材料方向

 

材料	負CTE範圍	說明	應用潛力
ZrW₂O₈ (氧鎢鋯, Zirconium Tungstate)	-9 ~ -12 ppm/°C	常溫至高溫都具穩定負CTE，機制為晶格內部「支架效應」	複合材料補償、精密封裝
HfW₂O₈ (氧鎢鉿)	-5 ~ -10 ppm/°C	與ZrW₂O₈結構類似，但穩定性更高	高階電子材料
β-Eucryptite (鋰鋁矽酸鹽, LiAlSiO₄)	-1 ~ -2 ppm/°C	屬於陶瓷系統，結構中鋰離子位移導致負膨脹	玻璃陶瓷基板、光學封裝
ScF₃ (氟化鈧)	-10 ~ -13 ppm/°C	非氧化物系統，但仍具穩定負CTE特性	研究中，尚少量應用
某些金屬間化合物	依組成不同	例如Invar合金（雖不是負，但極低CTE）	精密機械、封裝基板

 

 

表3 負CTE材料可能機制

 

機制	說明	代表材料
結構型撓曲 (Rigid Unit Modes, RUMs)	晶體內部剛性多面體（如氧八面體）在溫變時發生擺動與轉動，整體結構收縮	ZrW₂O₈、HfW₂O₈
相變誘發收縮	在特定溫度下材料結構發生相轉變，伴隨體積收縮	β-eucryptite
格子震動貢獻 (Phonon modes)	特定晶格振動模式導致平均鍵長縮短	ScF₃
多孔結構塌縮	微孔或層間空隙隨溫度上升而收縮	某些MOFs（金屬有機框架）

 

 

負CTE材料在實際應用中，並非單靠填加即能解決尺寸穩定問題，而是需透過整體材料設計進行精準協調。

 

 

考量加工性、界面穩定性與整體熱機平衡，負CTE材料通常與其他低CTE填料協同使用，並搭配適當的分散技術與局部應力緩衝設計，才能真正發揮其補償熱膨脹的優勢，提升封裝長期可靠性與尺寸穩定性。

 

以下為幾點在設計上可能的策略: 

 

 

• 複合填充補償設計
  將負CTE填料（如ZrW₂O₈、β-eucryptite）與一般低CTE填料（如SiO₂、Al₂O₃）混合填充，透過比例設計平衡整體熱膨脹行為。

 

 

• 填料用量控制
  負CTE填料通常控制在適當用量（如5~20 wt%），避免過高導致流變性惡化、加工困難或界面脆弱化。

 

 

• 表面改質強化分散
  對負CTE填料表面進行偶聯劑處理（如矽烷處理），提升其在樹脂體系中的分散性與界面黏著性，確保穩定長效表現。

 

 

• 局部應力緩衝層設計
  在大型封裝基板、轉接層或應力集中特定區域，局部配置負CTE功能層，吸收局部尺寸變形差異，提升整體封裝壽命。

 

 

• 多層次材料整合策略
  結合剛性樹脂結構、高交聯密度設計與負CTE補償，打造整體熱機行為穩定的封裝材料系統。

 

 

結語:穩定才是關鍵

 

 

AI晶片可以跑得很快，但封裝得穩穩撐住，才是整個系統真正能長期穩定運作的關鍵。

 

未來的封裝材料設計，不只是追求單一性能極限，而是像調和樂章一樣，讓低CTE與負CTE精準協作，撐起AI運算的高效穩定結構。

 

低CTE，從來不只是材料工程裡的一個漂亮數字，而是從設計一開始就該守住的基本盤。

 

 

當我們在拼運算力極限的同時，別忘了：

 

 

有時候，穩，比快還重要。