高純度二氧化矽封裝填充材料技術與發展

 

刊登日期:2021/1/20
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方聖予、侯旻伶/工研院材化所
 
高純度二氧化矽封裝填充材料技術應用市場趨勢
根據IEK Consulting全球市場分析報告顯示,2018年全球半導體構裝市場已高達四百多億美元,且受到高速傳輸或AI晶片等裝置增加的影響,低介電、低損失或是微細化、高散熱、高耐熱等的材料特性需求將牽引整個半導體構裝市場,預期2020年至2025年之市場年成長率可維持在2~3%。另一方面,為因應5G通訊,智慧型手機、通訊機器、基地台等相關市場將呈現擴大之勢,而在大數據處理、AI對應之伺服器高機能化,以及功率裝置、鋰離子電池(LiB),或是自動駕駛車用感測器相關電子控制單元(ECU)等環保因應車輛領域相關之市場成長,都將持續帶動全球半導體構裝市場蓬勃發展,也促使了處理器、記憶體、通訊及功率元件等在微型化的同時也必須提高性能及效率。
 
因此,在半導體構裝材料方面也須同步考慮元件之先進製程而有所對應,特別針對奈米製程縮小、5G高效率及高速等的需求,除了搭配高階半導體構裝技術,在後段半導體封裝材料部分,也需開發具高純度、高流動性及易於模封製程加工特性之新材料,屆時亦將同步帶動半導體構裝市場之倍數成長。預估2020年半導體構裝市場之產值將再成長1.5%,故我國欲站穩國際封裝產業之重要地位,除了先進封裝技術外,其對應之封裝材料也需具備一定之能量。
 
在半導體封裝製程中,不論是傳統的導線架(Lead Frame)構裝,或是先進的覆晶(Flip Chip)與晶圓級(Wafer Level)封裝,均需使用模封材料(Molding Compound)。模封材料通常由環氧樹脂(Epoxy Resin)、填充材料(Filler)及添加劑(Agent)所組成(如表一所示)。為了提升模封材料之機械強度、熱傳導、阻水率,降低熱膨脹等性質,常需使用大量填充材料(Filler),其中又以二氧化矽為最主要的填充材料(Silica Filler)。在環氧樹脂模封材料(EMC)組成方面,約含有超過50%以上之Silica Filler;而封模底部填充膠(MUF)之Silica Filler含量約在70~80%,其Silica Filler之用量相當大。
 
表一、模封材料之主要成份與功能
表一、模封材料之主要成份與功能
 
目前半導體封裝之固態模封材料所用之二氧化矽主要為熔融型(Fused Silica)二氧化矽,具有高圓球度(Sphericity≧85%),比表面積大,故具有高填充率。近年為了增加模封材料之流動性,其填充率可達90%以上,且熱膨脹係數低(0.54 * 10-6 /℃)、熱震穩定性佳(20 Cycles@25-1000℃),可降低受熱後之形變,同時與晶片基板所使用之矽材相同,對於降低固態模封材料與晶片間的熱膨脹係數差異非常有幫助。目前最新發展的Mold nderfill(MUF)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製程封裝的底部填充物,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( ≦10 μm)。隨著半導體製程演進及元件尺寸縮小之發展趨勢,晶片之電阻-電容之延遲效應會更加明顯,而二氧化矽之低介電特性(dk 3.8~4) 也是目前最受到重視的特點之一。可降低導線間距縮小,電荷或訊號傳遞時受束縛電荷延遲效應(電容效應),進而降低晶片之性能。綜合以上特點,圓球形二氧化矽已成為未來在高頻應用不可或缺之關鍵材料之一。
 
我國為全球半導體封裝產業重鎮,Silica Filler之使用量佔全球市場約20%,國際上在圓球型二氧化矽填充材料方面,以日系業者居領導地位,如Denka,Admatechs,Tatsumori等,市場占有率接近70%,其餘尚有Sibelco (韓國PCB填充材料大廠)、Imerys(法國礦業工程及材料公司)等業者,欲切入電子封裝材料之供應鏈。另一方面,中國業者近年亦開始急起直追,雖然產品性能仍不如日系產品,但至少相關技術已在開發中,也具有價格優勢,已可應用於中低階晶片封裝,具有一定之材料自主率。相較之下,我國目前---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

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