半導體先進封裝：材料比你想像的重要

近年來，只要談到 AI、高效能運算或先進晶片，「先進封裝」幾乎是一定會出現的關鍵字。但對許多人來說，這些名詞——CoWoS、CoPoS、Fan-Out、Chiplet、2.5D、3D——聽起來像一串神秘咒語，彷彿只屬於半導體工程師。
其實，這些名詞真正描述的，不是製程細節，而是「晶片怎麼在有限的空間內結合在一起」。而一旦理解這一點，材料在其中扮演的角色，就會變得非常清楚。
舉個例子來說，房子有各式各樣的形式，大樓、公寓、透天、別墅等等…，但其實重點都是裡面住著人，只是建造的方式/外觀/材料不同，對比到先進封裝，我們可以這樣理解:
房子形式=先進封裝製程方式
人=晶片
房子建造方式/外觀/使用材料=封裝材料

先進封裝並不是單靠某一種「高科技材料」完成，而是透過多種材料彼此搭配、互相制衡，才能讓晶片在高效能、高功率、高密度的條件下穩定運作。

接下來我們來介紹整個封裝過程中最重要的部分，也就是封裝材料!

一、晶片為什麼需要被「封裝」？
晶片本身非常脆弱，既怕濕氣、又怕熱應力，也無法直接與外部電路連接。
封裝的目的，簡單來說有三個：
1.    保護晶片，避免外在環境造成損壞
2.    建立電性連接，讓訊號能進出晶片
3.    管理熱與應力，確保長時間運作的可靠性
這三個需求，正是所有封裝材料存在的原因。

二、樹脂：先進封裝的「結構骨架」
在封裝中，最容易被忽略、但實際用量最多的，其實是各種樹脂材料。
這些樹脂就像建築中的鋼筋混凝土，負責固定晶片、填補空隙、吸收外力。
常見的樹脂包括環氧樹脂Epoxy與聚醯亞胺Polyimide，它們本身不導電，但具備良好的加工性與耐環境能力。

常見樹脂類型
環氧樹脂（Epoxy）
• 目前最主流
• 用於 EMC、Underfill、Die Attach

聚醯亞胺（PI）
•  高耐熱、高柔性
•   用於 RDL、Fan-Out、晶圓級封裝

BT Resin / 改質環氧
•  用於載板（ABF、BT）
核心訴求
•    低翹曲（Low Warpage）
•    高可靠度（溫循、濕熱）
•    與矽、金屬良好附著性

然而，樹脂也有一個致命缺點：熱膨脹率遠高於矽晶片。會造成當熱能產生時，由於樹脂與晶片的熱膨脹率差異過大，導致晶片翹曲/斷裂，大大的降低了晶片的可靠度。
這就帶出了下一個關鍵角色。


 

三、無機填料：負責「調整性格」的魔法師
為了讓樹脂與矽晶片能和平共處，配方工程師會在樹脂中加入大量的無機填料，其中最重要的就是二氧化矽。
Silica能有效降低整體材料的熱膨脹，減少溫度變化時產生的內部應力。
在先進封裝中，填料的重量比例往往超過一半，甚至接近九成(Underfill底部填充膠)。不同製程的二氧化矽選擇是攸關配方能不能成功的關鍵!
有些應用還會使用中空結構的填料，讓材料在維持穩定性的同時，兼顧輕量化與電性表現。
另外隨著運算能力提升，晶片所產生的熱量也大幅增加。如果熱無法有效排出，再先進的晶片也無法長時間運作。
因此，在封裝中，材料除了「不怕熱」，還必須「會導熱」
這促使導熱填料(氧化鋁、氮化鋁、氮化硼etc…)與熱界面材料成為先進封裝中不可或缺的一環。

常見填料種類
二氧化矽（SiO₂）
• 控制 CTE、降低翹曲
• 最核心、用量最大

中空二氧化矽（Hollow Silica）
• 降低介電常數（Low Dk）
• 輕量化

氧化鋁（Al₂O₃）
• 提升機械強度、耐磨、導熱

氮化硼（BN）
• 導熱、不導電（TIM、封裝基材）

四、金屬材料：負責訊號傳遞的高速公路
封裝中最直觀的材料，就是各種金屬。
銅是目前最主要的選擇，因為它同時具備低電阻與良好的可靠性。
在先進封裝裡，金屬線路變得極細，連接點的尺寸也不斷縮小，這使得材料本身的純度、界面品質與抗氧化能力，變得前所未有的重要。

主要金屬
銅（Cu）
• RDL、micro-bump、TSV
• 低電阻、高可靠度

錫銀銅焊料（SAC）
• 微凸塊（micro bump）

低溫燒結銅粉 / 銀粉
• Die Attach、功率元件

材料趨勢
•    線寬 < 2 µm
•    低溫製程（保護晶片與樹脂）
•    抗氧化與高可靠度界面設計
 

五、界面材料：真正決定壽命的隱形關鍵
許多封裝失效，並不是材料本身不夠好，而是不同材料之間「鍵結姓不好」。
為了讓樹脂、填料與金屬之間形成穩定結合，工程師會使用各種界面材料，例如矽烷偶聯劑，來強化不同材料之間的附著力。
這些材料用量不多，卻常常決定整個封裝能否通過長時間的可靠度測試。

關鍵材料
Silane 偶聯劑
• 強化樹脂 × 填料 × 金屬附著

表面改質填料
• 控制分散、降低吸濕

Barrier / Adhesion Layer
• 防止金屬擴散、剝離

先進封裝，其實是一門材料平衡藝術，本質並不是追求單一材料的極限性能，而是在保護、電性、熱管理與可靠度之間，找到一個最佳平衡點。
也正因如此，材料選擇與設計，成為推動先進封裝技術演進的真正引擎。
我們擁有先進封裝材料的各種上游原料(樹脂、填料、金屬材料、界面材料)，若有相關需求或問題，歡迎與我們聯繫討論。

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