詹英楠、陳凱琪/工研院材化所
隨著台積電成功打造整合型扇出型晶圓級構裝(InFO WLP)處理器應用到蘋果iPhone中，導引其他OSAT追逐高密度扇出市場，扇出型晶圓級構裝技術已成為最為快速成長的重要市場發展。在大面積化、高密度、多晶片封裝整合之扇出型晶圓級/面板級構裝技術(FOWLP/PLP)應用趨勢下，國內擁有完善且先進的半導體構裝供應鏈，但台灣半導體產業供應鏈上游的關鍵材料與後端的構裝材料至今卻大多仍掌握在國際大廠手中。本文將介紹先進半導體構裝技術應用市場趨勢、封裝材料技術發展以及液態封裝材料之高無機含量粉體改質分散技術開發研究，除了有助於研究開發大面積模封材料的各種封裝應用之特性驗證與信賴性失效分析，也可以有效地協助研發人員快速評估半導體封裝材料各項特性驗證。
【內文精選】
先進半導體構裝技術應用市場趨勢
隨著網路傳輸通訊、物聯網、穿戴式產品應用、家電整合以及車用通訊等新產品設計與應用趨勢發展，目前多晶片封裝產品之高密度多功能異質整合、高傳輸效率等相關需求，以及因應產品內部元件體積尺寸越趨近於更輕薄化的需求，皆促使更高構裝密度，期能有效降低成本及達到高效生產等效益。相對其構裝材料端也面臨越來越嚴峻的信賴性需求與可靠度的考驗，針對扇出型封裝技術持續不斷地朝更多晶片、更大面積尺寸封裝邁進，且由於切割後的晶片皆為方型，使得FOWLP晶圓級製程面積使用率偏低約<85%；若採用面板級製程則其面積使用率可提高至>95%。在加速生產週期及降低成本考量下，國際大廠如三星電子、江蘇長電等，也已轉向面板級扇出型(Fan-Out)封裝製程FOPLP，朝向更低成本封裝技術開發邁進，如圖一所示，各種面板級及晶圓級構裝技術應用因應而生。
圖一、面板級/晶圓級半導體構裝技術應用
根據IEK Consulting報告指出，全球構裝市場規模以每年CAGR約2.67%逐漸爬升，其中以FOWLP扇出型晶圓級構裝用的大面積模封材料CAGR 32.79%成長最快，預估到2021年將成長至152噸。其中Fan-Out的構裝晶片應用仍以手機與相關之各種無線通訊為最主要，其餘依次是工業、消費性與車用相關產業。圖二所示為先進構裝用相關材料市場規模，其中模封材料預估至2020年約將成長至11.5億美元規模；而在300 mm尺寸的晶圓使用量預估，將從2019年的300萬片上升到2021年超過450萬片，如圖三所示。
先進半導體封裝材料技術發展
封裝材料已逐漸朝向需具有低介電損耗、低介電常數及高導熱的特性趨勢發展。圖六為晶圓級模封製作流程及各層間材料圖示，其中RDL為銅金屬連接線走線，須具備高延展性、更需避免各界面間材料熱膨脹係數(CTE)不匹配的問題、也要滿足更細的線寬線距以及低離子遷移率等特性要求。目前模封材料幾乎完全仰賴進口，主要供應商為日本NAGASE 、NAMICS、Hitachi Chemical及Panasonic等主要廠商。對於未來相關的車用元件、功率元件、感測器元件及各種高頻應用也朝向晶圓級大面積、薄型化構裝技術演進。
就晶圓級模封材料來說可以分為三種型式，包括液態模封材料、固態顆粒型模封材料及片狀模封材料。三種模封材料均可以利用壓合模封設備進行模封製程，片狀模封材料亦可以使用真空貼附設備，其中最新發展的Mold Underfill (MUF)如圖七所示逐年成長中。兼具密封與保護晶片的功能，屬於底部填充並能夠覆蓋IC和基板之間，採用MUF進行覆晶封裝，屬於密封處理且為一次工序封裝的底部填充物，由於需要使狹窄間隙的內部均勻，所以一般MUF主要皆是採用較細粉體填料，可省去傳統UF封裝後再搭配Over-Molding等多道製程工序，因此可有效降低製作成本。
圖七、MUF模封材料市場規模
高無機含量液態封裝材料與粉體改質分散技術開發研究
工研院材料與化工研究所針對高無機含量液態封裝材料進行開發研究，以組成物配方主體為有機樹脂系統來填充高含量無機粉體為主，其有機組成物可能包含：樹脂主體、硬化劑、起始劑、催化劑、偶合劑、脫模劑、應力緩和劑、離子捕捉劑及其他添加劑等；無機組成物則主要是二氧化矽、導熱粉體及碳黑等。在針對無機粉體改質分散技術開發研究方面，目前材化所液態封裝材料其無機粉體添加量可高達將近90 wt%仍具有高流動性，可有效降低CTE、提高導熱率並有效降低成型收縮率…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》405期，更多資料請見下方附檔。