信息來源：彗晶新材料
摘要：隨著5G時代的來臨，萬物互聯(lián)已成為趨勢，其中高集成度的微型芯片是實現(xiàn)這一變遷的重要基礎(chǔ)。但是，用于芯片封裝的聚合物材料的導(dǎo)熱性能不佳，嚴(yán)重制約著集成化芯片的發(fā)展。隨著芯片尺寸的減小，其能量密度呈指數(shù)化升高，所產(chǎn)生的熱量在內(nèi)部積聚，使得散熱成為一大問題。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，制備具有特殊結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱填料對聚合物進(jìn)行填充是提高其導(dǎo)熱性能的有效方法。本文了目前芯片行業(yè)在材料方面的市場份額、創(chuàng)新技術(shù)的分析，尤其在和新型的導(dǎo)熱相關(guān)的芯片內(nèi)部界面導(dǎo)熱材料（Thermal Interface Material 1，TIM 1），底填材料（Underfill），基板材料（Substrate）的細(xì)分領(lǐng)域進(jìn)行了詳細(xì)的闡述與最新科技趨勢。同時指出國產(chǎn)替代的重要性，和在芯片發(fā)展中目前最熱點的材料技術(shù)與工藝。 關(guān)鍵詞：芯片封裝；導(dǎo)熱材料；芯片內(nèi)部界面導(dǎo)熱材料；底填材料；基板材料； 01 引言 : 全球半導(dǎo)體材料和封裝材料趨勢
2018年全球半導(dǎo)體材料銷售規(guī)模在519億美元，其中基體材料、制造材料、封裝材料占比分別為23.4%、38.7%和28.0%。
圖1?1 2018年全球半導(dǎo)體銷售規(guī)模占比[1]（單位：%）
歐美、日韓臺等國家和地區(qū)是全球半導(dǎo)體巨頭的主要所在地，根據(jù)世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計（World Semiconductor Trade Association，WSTA）數(shù)據(jù)，2018年全球半導(dǎo)體市場規(guī)模約為4373億美元，中國半導(dǎo)體市場規(guī)模約為1220億美元（占全球約28%），中國已經(jīng)成為全球最大的半導(dǎo)體消費市場。中國在半導(dǎo)體消費市場上已經(jīng)成為了世界第一，但是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的市場占比卻非常有限，全球前十大半導(dǎo)體企業(yè)中沒有一家是來自中國。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化雖然是一個十分艱巨的任務(wù)，但是可以通過采取合適的策略，利用國內(nèi)龐大的工程師紅利，輔之合理的政策導(dǎo)向，國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)自主可控之路一定能夠?qū)崿F(xiàn)。例如，在上游設(shè)備、材料、設(shè)計等領(lǐng)域，在不同的細(xì)分賽道通過重點突破，則有望成功。在中游晶圓制造及下游封裝測試領(lǐng)域，需要保持戰(zhàn)略定力，對新技術(shù)保持持續(xù)的研發(fā)投入，對行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)保持持續(xù)跟進(jìn)保證不掉隊，長此以往則有望達(dá)到國際一流水平。
半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)向大陸地區(qū)轉(zhuǎn)移的趨勢不可逆轉(zhuǎn)。根據(jù)中國電子材料行業(yè)協(xié)會（China Electronics Materials Industry Association，CEMIA）數(shù)據(jù)，2018年國內(nèi)半導(dǎo)體材料市場規(guī)模已經(jīng)達(dá)到794億元。未來隨著中國半導(dǎo)體產(chǎn)能規(guī)模的繼續(xù)擴(kuò)張，以及全球半導(dǎo)體晶圓制造產(chǎn)業(yè)向大陸轉(zhuǎn)移的趨勢不可逆轉(zhuǎn)，我們認(rèn)為國內(nèi)半導(dǎo)體市場規(guī)模在全球占比還將繼續(xù)保持提升的趨勢。未來國內(nèi)半導(dǎo)體材料的市場規(guī)模毫無疑問也將繼續(xù)擴(kuò)大，按照目前的行業(yè)增速，預(yù)計2021年國內(nèi)市場規(guī)模將首次超過1000億元。
圖1?2芯片材料分類[2]
國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（Semiconductor Equipment and MaterialsInternational，SEMI）近日發(fā)表全球半導(dǎo)體封裝材料市場展望報告，預(yù)測全球半導(dǎo)體封裝材料市場將追隨芯片產(chǎn)業(yè)增長的腳步，市場營收從2019年的176億美元一舉上升至2024年的208億美元，復(fù)合年增長率-（Compound Annual Growth Rate，CAGR）達(dá)3.4%。
SEMI表示，帶動這波漲勢的正是背后驅(qū)動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的各種新科技，包括大數(shù)據(jù)、高性能運算、人工智能、邊緣運算、先端內(nèi)存、5G基礎(chǔ)設(shè)施的擴(kuò)建、5G智能型手機(jī)的采用、電動車使用率增長和汽車安全性強(qiáng)化功能等。
封裝材料為上述科技應(yīng)用持續(xù)成長的關(guān)鍵，用以支持先端封裝技術(shù)，讓集高性能、可靠性和整合性于一身的新一代芯片成為可能。
此外，SEMI也指出，封裝材料的最大宗層壓基板拜系統(tǒng)級封裝（System In Package，SIP）和高性能裝置的需求所賜，復(fù)合年增長率將超過5%；而預(yù)測期間則以晶圓級封裝（Wafer Level Package，WLP）9%復(fù)合年增長率為最快。
02 封裝導(dǎo)熱材料的市場分析
2.1 導(dǎo)熱相關(guān)材料
隨著對更強(qiáng)大、更高效和更小的功率電子器件的需求不斷增加，器件的功率密度變得越來越高，這對芯片器件的散熱提出了更高的挑戰(zhàn)。
一般來說，提供給電子器件的電能最終將以熱量的形式耗散。熱量的產(chǎn)生伴隨著熱源溫度的升高，然后傳遞至電子模組和封裝內(nèi)外溫度較低的區(qū)域。在封裝體中，熱量傳遞依據(jù)固體材料中的熱傳導(dǎo)過程。當(dāng)熱量傳遞至封裝外表面時，一般通過熱對流的形式傳遞至冷卻流體（如空氣）中。對于低功耗器件，在向外部環(huán)境傳遞熱量時，熱輻射也發(fā)揮著重要作用，電子封裝內(nèi)的溫度會不斷升髙，直到封裝體向外傳遞熱量的速率與產(chǎn)生熱量的速率相等，溫度變化才能達(dá)到穩(wěn)定。因此，值得指出的是，即使并未有目的地對封裝體進(jìn)行散熱，自然或物理定律也會限制溫度的升髙。
然而，大多數(shù)情況下，如果不采取散熱措施，封裝體的溫度將會變得過高。美國空軍航空電子整體研究項目的研究結(jié)果表明，55%的器件失效是由溫度因素導(dǎo)致的。但需要注意的是，不同于軍用航空器件，大多數(shù)商用產(chǎn)品中的封裝器件無需經(jīng)過振動、灰塵或濕氣等嚴(yán)苛的環(huán)境可靠性測試，所以溫度引起的失效比例可能會更高。除了影響電子器件的可靠性之外，溫度還會影響系統(tǒng)電路性能。因此，有必要通過人為設(shè)計對電子封裝進(jìn)行有效的散熱。
多年來，不斷提高封裝密度已經(jīng)成為一種趨勢。隨著封裝密度的提高，單位電路的功率也不斷増大以減小電路延遲，提高運行速度；同時，芯片和封裝模組的熱通量也不斷増大。
按2021年國內(nèi)封裝材料市場1000億的估算，其中封裝材料占到50%，大概是500億的總市場。
圖 2?1芯片封裝解構(gòu)[3]
導(dǎo)熱材料主要包括芯片內(nèi)部導(dǎo)熱界面材料，底填材料，和封裝基板三部分。
2.2 封裝基板材料
封裝基板（Package Substrate）是由電子線路載體（基板材料）與銅質(zhì)電氣互連結(jié)構(gòu)（如電子線路、導(dǎo)通孔等）組成，其中電氣互連結(jié)構(gòu)的品質(zhì)直接影響集成電路信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，決定電子產(chǎn)品設(shè)計功能的正常發(fā)揮。封裝基板屬于特種印制電路板，是將較高精密度的芯片或者器件與較低精密度的印制電路板連接在一起的基本部件。
半導(dǎo)體硅材料是使用最早的基板材料，具有熱導(dǎo)率高、成本低、與芯片熱失配小、易于加工切割等特點，可以作為大功率芯片的散熱基板材料。但是，使用硅作為基板材料，仍存在材料脆性大、絕緣性不良等缺點，并且導(dǎo)電通孔的技術(shù)不成熟，故硅基板的推廣受到一定的限制。
金屬基板使用的材料通常是鋁和銅，并且將其壓合到印刷線路板（Print Circuit Board, PCB）板上，形成三層結(jié)構(gòu)，即得到了所謂的金屬核印刷電路板(Metal Core Print Circuit Board, MCPCB)。鋁和銅的力學(xué)性能優(yōu)良，熱導(dǎo)率高，并且易于加工，很適合作為金屬基板的材料。由于使用了環(huán)氧樹脂作為填充物，使其熱導(dǎo)率通常較低，且鋁和銅的熱膨脹系數(shù)與芯片不匹配，極易使芯片開裂。陶瓷具有絕緣性好、強(qiáng)度較高、熱膨脹系數(shù)小和導(dǎo)熱性好等優(yōu)點，很適合作為大功率芯片封裝基板材料。
陶瓷基板材料通常有三氧化二鋁（Al2O3）,氮化鋁（AlN）,氧化鈹（BeO）,碳化硅（SiC）,四氮化三硅（Si3N4）等，其中三氧化二鋁陶瓷使用最廣，但其熱導(dǎo)率只有24W/(m·K)，相比于其他陶瓷基板通常較低，因此三氧化二鋁陶瓷的發(fā)展便受到了限制。相比于三氧化二鋁，氮化鋁基板的絕緣性能更好，熱導(dǎo)率更高（理論上可達(dá)320W/(m·K)），耐高溫和腐蝕，并且其熱膨脹系數(shù)與硅更加匹配，這些優(yōu)異的性能使氮化鋁陶瓷被一致看好[4]，作為大功率芯片封裝基板。氧化鈹陶瓷因其具有高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度和絕緣性等特性，在很多領(lǐng)域都受到重視和應(yīng)用，但是氧化鈹有劇毒，其通常只用于軍用。碳化硅陶瓷用作大功率芯片封裝基板，各項性能都比較合適，但是由于其燒結(jié)溫度過高，高達(dá)2000℃以上，使其制備成本明顯增加，限制了碳化硅陶瓷的進(jìn)一步發(fā)展。四氮化三硅陶瓷為共價化合物，其熱膨脹系數(shù)低、熱導(dǎo)率高，并且耐熱疲勞性能良好，很適合用作高導(dǎo)熱高強(qiáng)度的陶瓷基板材料。
復(fù)合材料基板采用多種材料混合，制成工藝往往較復(fù)雜，并且工藝并不是很成熟。雖然可以將不同復(fù)合材料相結(jié)合，但是實現(xiàn)過程通常較困難，推廣有一定的難處。常用基板材料的性能參數(shù)見下圖。
圖 2?2常用基板材料性能
目前的封裝基板，為了體現(xiàn)更高的導(dǎo)熱性能，主要有以下幾種工藝。
1）金屬芯印刷電路板
金屬芯印刷電路板(Metal Core Printed Circuit Board，MCPCB)是在原有的印刷電路板（Print Circuit Board，PCB）基礎(chǔ)上， 將熱導(dǎo)率較高的金屬（如鋁、銅等）壓合到 PCB 上 而得到的。MCPCB由金屬層、絕緣層和線路層構(gòu)成。
圖 2?3金屬芯基板結(jié)構(gòu)
2）共燒陶瓷基板
共燒陶瓷基板分為低溫共燒陶瓷基板(Low-Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)和高溫共燒陶瓷基板(High-Temperature Co-fired Ceramic，HTCC)。低溫共燒陶瓷基板最早由美國研發(fā)得到，開始是應(yīng)用于航空和軍用電子設(shè)備中，后來陸續(xù)被歐洲和日本的公司相繼引進(jìn)，逐漸引入到車用市場和通訊產(chǎn)業(yè)中。LTCC制備工藝流程主要有混料、流延、沖孔、絲網(wǎng)印刷、疊片、后續(xù)檢測等工藝，其燒結(jié)溫度相對于高溫共燒陶瓷基板來說更低。低溫共燒陶瓷由于采用了流延成型，設(shè)備工藝并不復(fù)雜，可以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較高，并且燒結(jié)溫度低，能耗低，有一定的發(fā)展前景。相比于普通PCB電路基板，LTCC可靠性高，更能適應(yīng)大電流及耐高溫的要求，特別適用于惡劣的工作環(huán)境。
高溫共燒陶瓷基板(HTCC)的制備工藝與LTCC相似，也包括配料、流延、干燥沖孔、絲網(wǎng)印刷、疊層燒結(jié)、切片等工藝，只是HTCC不摻雜玻璃粉，且其燒結(jié)溫度更高。由于其燒結(jié)溫度高，故使金屬導(dǎo)體材料的使用受限，只能用鎢、鉬、錳等難熔，且電導(dǎo)率低的金屬材料，限制了HTCC基板的發(fā)展。雖然高溫共燒陶瓷的燒結(jié)溫度高，能耗巨大，但是HTCC基板有著結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，特別適合用于大功率封裝領(lǐng)域。
圖 2?4覆銅陶瓷基板的截面
3）直接敷銅陶瓷基板
直接敷銅陶瓷基板(Direct Bonded Copper，DBC) 是在銅與陶瓷之間加入氧元素，在1065~1083℃溫度間得到銅-氧共晶液，隨后反應(yīng)得到中間相（二氧化鋁銅或四氧化二鋁銅），從而實現(xiàn)銅板和陶瓷基板化學(xué)冶金結(jié)合，最后再通過光刻技術(shù)實現(xiàn)圖形制備形成電路。如下圖所示，直接鍵合陶瓷基板分為3層，中間的絕緣材料是三氧化二鋁或者氮化鋁。三氧化二鋁的熱導(dǎo)率通常為24W/(m·K)，氮化鋁的熱導(dǎo)率則為170W/(m·K)。DBC基板的熱膨脹系數(shù)與上述兩種材料相類似，非常接近外延材料的熱膨脹系數(shù)，可以顯著降低芯片與基板間所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
4）直接敷鋁陶瓷基板
直接敷鋁陶瓷基板(Direct Aluminum Bonded，DAB)是鋁與陶瓷層鍵合而形成的基板，其結(jié)構(gòu)與DBC相似。相比于直接敷銅陶瓷基板，直接敷鋁基板在理論和實驗上顯示出優(yōu)異的特性。由于銅和氧化鋁敷接的溫度較高（高于1000℃），在界面間會形成金屬間化合物二氧化鋁銅，故敷銅氧化鋁基板在使用時內(nèi)應(yīng)力大，抗熱震性能差，其使用壽命較短。DAB則是鋁和氧化鋁之間的結(jié)合，界面不存在化學(xué)反應(yīng)，且純鋁自身良好的塑性可以減輕界面間的熱應(yīng)力，從而提高了可靠性。
圖 2?5覆鋁陶瓷基板的結(jié)構(gòu)
5）直接鍍銅陶瓷基板
直接鍍銅陶瓷基板(Direct Plate Copper，DPC)是將陶瓷基板做預(yù)處理清潔，利用半導(dǎo)體工藝在陶瓷基板上濺射銅種子層，再經(jīng)曝光、顯影、蝕刻、去膜等光刻工藝實現(xiàn)線路圖案，最后再通過電鍍或化學(xué)鍍方式增加銅線路的厚度，移除光刻膠后即完成金屬化線路制作。
圖 2?6DPC基板
6）硅基板
半導(dǎo)體硅材料具有熱阻小、熱導(dǎo)率高、加工工藝成熟、成本低及與芯片熱失配小等優(yōu)點，適合用作大功率芯片的散熱基板，并且最近逐漸從半導(dǎo)體業(yè)界引入到芯片封裝領(lǐng)域。將直接鍍銅（Direct Plating Copper，DPC）工藝應(yīng)用到硅基板上是未來制備大功率芯片的趨勢之一，充分運用成熟的硅工藝和薄膜工藝得到精度高的線路，實現(xiàn)高密度集成封裝，同時也利用硅材料的熱導(dǎo)率高和較小翹曲等性能來滿足熱膨脹系數(shù)匹配。通過在硅晶圓上刻蝕出通孔結(jié)構(gòu)，采用濺射、電鍍方式制備得到含硅通孔（Through-Silicon-Via，TSV）銅柱的散熱硅基板。硅和銅均有較高的熱導(dǎo)率，故整個硅基板會有較高的散熱能力。
圖 2?7硅基板
7）新型復(fù)合材料基板
新型復(fù)合材料基板是將多種所需材料混在一起，通過較復(fù)雜的工藝，利用材料各自優(yōu)點而制得的基板。這種基板的綜合性能通常優(yōu)異，能滿足不同的封裝需求，因此引起了廣泛的關(guān)注。近年來，鋁碳化硅基板由于具有原料成本低、導(dǎo)熱高、密度低、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點而越來越受到人們的關(guān)注。碳化硅顆粒的熱膨脹系數(shù)與芯片襯底的熱膨脹系數(shù)相近，且彈性模量高，密度較小；同時鋁的高導(dǎo)熱、低密度、低成本和易加工等特點，使其用作基板材料時具有獨特的優(yōu)勢，因此，兩種材料復(fù)合得到的鋁碳化硅基板綜合性能優(yōu)良，若應(yīng)用于大功率芯片基板，則前景廣闊。
圖 2?8以LED基板為例，導(dǎo)熱性能比較
根據(jù)SEMI數(shù)據(jù)，2016年全球有機(jī)基板以及陶瓷封裝體合計市場規(guī)模達(dá)104.5億美元，占到全部封裝材料的53.3%。隨著高導(dǎo)熱封裝基板的需求增加，在2020年所占比例應(yīng)該高于53.3%，按55%進(jìn)行預(yù)估，則國內(nèi)的市場空間大概在275億。
2.3 芯片內(nèi)部導(dǎo)熱界面材料（Thermal Interface Material,TIM1）
目前的市場報告中，還沒有看到這部分的詳細(xì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。從相關(guān)市場調(diào)研中，尤其在倒裝芯片（Flip Chip，F(xiàn)C）逐步擴(kuò)大的形式下，這芯片內(nèi)部導(dǎo)熱界面材料（TIM1）和底填材料（Underfill）兩部分的應(yīng)用在逐步增多。參考到封裝材料中導(dǎo)熱所占的比例，我們按20%的比例進(jìn)行預(yù)估，大概是在100億。
熱界面材料用來將蓋板或熱沉粘接到芯片封裝背面，或者將蓋板與熱沉粘接起來，前者表示為TIM1，后者表示為TIM2。TIM1的目的是將蓋板或熱沉粘接到芯片背面，同時也可以有效傳熱。因此，TIM1材料的抗壓和抗剪強(qiáng)度以及熱導(dǎo)率是重要的指標(biāo)。另外，由于TIM1是硅芯片與金屬蓋板之間的中間層，硅芯片與金屬蓋板之冋的熱膨脹系數(shù)有顯著差異，再加上倒裝芯片組裝工藝包括數(shù)個固化工藝步驟和溫度循環(huán)過程，所以，TIM1材料的熱膨脹系數(shù)也是一個重要參數(shù)。對于TIM2材料，通常用于將液冷或風(fēng)冷熱沉與蓋板粘接在一起。在大多數(shù)產(chǎn)品中，TIM2材料一般作為可分離界面。因為熱沉可能需要在線或在系統(tǒng)級組裝過程中移除或重新貼裝，而TIM1材料通常用于芯片與蓋板的永久性連接。
TIM1解決方案屬于高純度熱界面材料品級，應(yīng)用于芯片管芯與芯片外殼之間，以將有害熱量驅(qū)散至半導(dǎo)體封裝外部區(qū)域。由于從數(shù)據(jù)中心到消費者設(shè)備以及車用電子設(shè)備的各種應(yīng)用領(lǐng)域都需要功能性更強(qiáng)、處理功率更高的集成半導(dǎo)體設(shè)備，芯片封裝的內(nèi)部溫度也因此會迅速上升，從而給傳統(tǒng)的TIM1解決方案帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
以市場上主流的日本信越X-23-7772-4[5]為例，該材料是一種以硅酮油為基礎(chǔ)原油，配有一定的高導(dǎo)熱填充物制成的合成油。由于熱傳導(dǎo)性良好，此產(chǎn)品是用于主芯片等的主要熱界面材料TIM1的理想產(chǎn)品。X-23-7772-4專門用于強(qiáng)調(diào)高導(dǎo)熱率和施工性，并且含有2%左右的異構(gòu)烷烴類溶劑。X-23-7772-4具有卓越的防水性，而且在耐氧化方面極其穩(wěn)定。
圖 2?9日本信越X-23-7772-4 TIM1材料點膠工藝[5]
2.4 底填材料（Underfill）
半導(dǎo)體密封裝置結(jié)構(gòu)隨著電子制品尤其移動產(chǎn)品的小型化，也走上了輕薄短小化之路，并擴(kuò)大了裝在器材表面的結(jié)構(gòu)范圍。液狀封裝材料保護(hù)半導(dǎo)體芯片免受外部環(huán)境影響的新一代封裝材料，當(dāng)用在表面裝載型結(jié)構(gòu)時，起到增強(qiáng)半導(dǎo)體芯片和器材之間連接力的使用。
在液體封裝材料面世以前，傳統(tǒng)的環(huán)氧塑封料作為半導(dǎo)體封裝材料廣泛的應(yīng)用，但1990年代開始，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)品的小型化，傳統(tǒng)的環(huán)氧塑封料已經(jīng)不能夠滿足金屬引線之間的間距變短，封裝裝置厚度變薄等苛刻條件。從此作為替代傳統(tǒng)的環(huán)氧塑封料的，用環(huán)氧樹脂或硅樹脂合成的液狀封裝材料營運而生。
液體環(huán)氧封裝料是微電子封裝技術(shù)第三次革命性變革的代表性封裝材料，是封裝球型陣列封裝(Ball Grid Array，BGA)和芯片尺寸級封裝(Chip Scale Package，CSP)所需關(guān)鍵性封裝材料之一，主要包括FC/BGA/CSP用液體環(huán)氧底灌料(Underfill)和液體環(huán)氧芯片包封料兩大類。Underfill主要用于填充FC/BGA/CSP中芯片與基板之間由塌陷焊球連接形成的間隙。目前，Underfill主要包括兩種類型：流動型Underfill和非流動型Underfill。液體環(huán)氧芯片包封料主要用于FC/BGA/CSP等柔性封裝和超薄型封裝的芯片包覆．
30多年前（International Business MachinesCorporation，IBM）公司首先提出了Flip chip(倒裝芯片)互聯(lián)技術(shù)的概念，將芯片面朝下與基板互聯(lián)，使凸點成為芯片電極與基板布線層的焊點，進(jìn)行牢固的焊接。它提供了更高的封裝密度、更短的互聯(lián)距離、更好的電性能和更高的可靠性。近年來隨著受控塌陷芯片連接（Controlled Collapse Chip Connection，C4）技術(shù)的發(fā)展Flip chip成為了一種主要的封裝技術(shù)。
Underfill（底填料）是一種適用于倒裝芯片電路的材料，它填充在IC芯片與有機(jī)基板之間的狹縫中，并且將連接焊點密封保護(hù)起來。Underfill封裝的目的在于：
降低硅芯片和有機(jī)基板之間的熱膨脹系數(shù)不匹配；
保護(hù)器件免受濕氣、離子污染物、輻射和諸如機(jī)械拉伸、剪切、扭曲、振動等有害的操作環(huán)境的影響；
增強(qiáng)Flip chip封裝的可靠性。
Underfill材料的要求是：優(yōu)異的電、物理和機(jī)械性能；生產(chǎn)中易于應(yīng)用；優(yōu)異的抗吸潮和抗污染能力。
當(dāng)前的underfill材料主要是硅填充的環(huán)氧樹脂基體材料，其性能的改善由以下三個因素決定：
提高了對芯片的約束，減小了焊接的剪切應(yīng)力，而且附加的粘接面也有降低芯片彎曲的趨勢；
當(dāng)彈性模量很接近于焊料的彈性模量時，環(huán)氧樹脂就形成一種相對焊接的準(zhǔn)連續(xù)區(qū)，因此就減小了在芯片和基板界面上與焊接面形成的銳角有關(guān)應(yīng)力的提高；
焊料實際上是被密封而與環(huán)境隔絕。機(jī)械循環(huán)試驗表明，在真空或是當(dāng)用一層油脂涂層保護(hù)時，焊料疲勞壽命可以得到改善，這是由于避免了裂紋端點的氧化，減緩了裂紋的生長。
Underfill填充的時間與芯片尺寸的平方成正比，與液體粘度成正比，與液體的表面張力成反比，與空隙大小成反比。倒裝芯片發(fā)展的趨勢是芯片尺寸不斷增大，芯片與基板的間隙越來越小。因此，為了減少液體底層填充所需的時間，提高液體的流動性，降低粘度是至關(guān)重要的。
FC/BGA/CSP用底層填充料（Underfill）是一種填充球型硅微粉的低粘度液體環(huán)氧封裝料，主要用于填充倒裝焊芯片與基板之間的狹縫，增強(qiáng)凸焊點與基板的連接強(qiáng)度，密封凸焊點，提高FC電路的封裝可靠性。
目前，Underfill材料的組成與固體封裝材料相似，主要由低粘度的液體脂環(huán)族環(huán)氧樹脂、球型硅微粉、環(huán)氧固化劑和促進(jìn)劑、硅微粉表面處理劑以及其它功能添加劑等通過適當(dāng)?shù)墓に囍苽涠伞Ｍ瑫r，要求液體環(huán)氧底層填充料應(yīng)具有很低的粘度和高的表面張力，以縮短芯片底部填充的時間。因此，對Underfill的性能要求主要包括：適當(dāng)?shù)牧鲃有浴⒐袒瘻囟鹊汀⒐袒俣瓤欤瑯渲袒餆o缺陷、無氣泡、耐熱性能好、熱膨脹系數(shù)低、低模量、高粘接強(qiáng)度、內(nèi)應(yīng)力小、翹曲度小等。
目前使用的樹脂體系主要是在常溫下為液體的低粘度環(huán)氧和液體酸酐固化體系，環(huán)氧主要包括脂環(huán)族環(huán)氧、雙酚A、雙酚F和其他一些縮水甘油醚（脂）型環(huán)氧，其中脂環(huán)族環(huán)氧化合物具有良好的耐熱性和耐化學(xué)性能，優(yōu)異的力學(xué)和電性能，以及卓越的加工性能，不含有芳環(huán)這樣的強(qiáng)紫外發(fā)色基團(tuán)，可以很好地耐紫外光的輻射。脂環(huán)族環(huán)氧樹脂具有固化前粘度低，固化后粘接性好的特點；尤其是它們是由環(huán)烯烴經(jīng)過有機(jī)過氧酸的環(huán)氧化制備的，而不是表氯醇與酚的縮合，不含有機(jī)氯，不會有極少量的有機(jī)氯存在而產(chǎn)生對微電路的腐蝕，近年來在微電子封裝中的應(yīng)用引起了人們的關(guān)注。
由于芯片的熱膨脹系數(shù)約3ppm／℃，基板的熱膨脹系數(shù)約20ppm／℃，凸焊點的熱膨脹系數(shù)約25ppm／℃，要想使underfill材料達(dá)到降低硅芯片和有機(jī)基板之間的熱膨脹系數(shù)不匹配的目的，它的熱膨脹系數(shù)應(yīng)該與凸焊點的相匹配，達(dá)到25ppm／℃左右，而純樹脂體系的熱膨脹系數(shù)約60－70ppm／℃，最簡單有效降低熱膨脹系數(shù)的方法是加入低膨脹的填料—熔融二氧化硅。當(dāng)熔融硅粉的重量含量達(dá)到65％－70％時，underfill材料的CTE將會達(dá)到我們所需要的范圍。但是隨著填料含量的增加，材料的粘度也會迅速升高，流動性能下降。從流變學(xué)角度考慮，球形的二氧化硅比無規(guī)的具有更好的流動性，因為前者具有更小的流動半徑，球形的規(guī)整度越高，材料的粘度越低。
2.5 底填材料的3種制程
Underfill的工藝普遍采用的是毛細(xì)管底部填充（Capillary Underfill，CUF）制程[6]，通俗的說就是在芯片內(nèi)部導(dǎo)電球（Bump）和基板接觸完成后，Underfill是用虹吸的方式，從管芯的一側(cè)流動到另一側(cè)，一直到鋪滿整個管芯的底部。這個技術(shù)相對比較成熟，也應(yīng)用了很多年，但是也有它本身的一些缺點：
隨著管芯尺寸的逐步增大，鋪滿底部的時間增長，對產(chǎn)品效率有影響，而這個流動性，對不同的芯片都有不同的要求，定制化是市場的一個痛點。
Underfill的空洞問題，行業(yè)叫Void，始終是良率的一個隱患。一旦有Void產(chǎn)生，返工過程特別麻煩。市場上賣的比較好的Underfill，Void都做的很優(yōu)異，國內(nèi)的產(chǎn)品在空洞上有很大挑戰(zhàn)。
Underfill客戶第三大痛點，是爬膠問題。膠水會沿著管芯表面往上爬，而刮膠又沒有好的辦法。
為了更好的解決這些問題，有了非導(dǎo)電膠（Non-Conductive Paste，NCP）和非導(dǎo)電膜（Non-ConductiveFilm，NCF）的新工藝。
非導(dǎo)電膠NCP也是膠水的解決方案，先將Underfill點膠到基板上之后，用機(jī)械壓迫式熔接（ThermoCompression Bonding，TC Bonding）工藝把膠水固化。從工藝上，多了一個TC Bonding，但是從良率而言，可以克服目前的3大痛點，生產(chǎn)效率大大提高。
和材料的配合方面，TC Bonding的設(shè)備之前是韓國和日本為主，2019年后，國內(nèi)也有相應(yīng)的設(shè)備可以采購到，整個產(chǎn)業(yè)鏈就比較完整了。
非導(dǎo)電膠NCP雖然解決了市場上的一大難題，但是也有自己的缺陷，就是點膠的厚度和精度。在普通的應(yīng)用中，是足夠使用，但是在2.5D/3D堆疊封裝中，需要更薄的材料和更精準(zhǔn)的芯片導(dǎo)電球定位，就又有非導(dǎo)電膜NCF工藝應(yīng)運而生。
非導(dǎo)電膜NCF目前市場上德國漢高的技術(shù)比較成熟。和非導(dǎo)電膠NCP唯一的區(qū)別，是用Film的形式來替代膠水，可以做的特別薄。但是從工藝而言，把這個薄膜在TC Bonding熱壓要有特殊的設(shè)備，這個設(shè)備國內(nèi)還不能制造。
非導(dǎo)電膜NCF現(xiàn)在主要的缺點，就是整個TC Bonding過程比較長，而且由于要采用真空工藝，設(shè)備造價特別高，每次加工的數(shù)量也不多。如果設(shè)備和產(chǎn)率方面有新的技術(shù)突破，大規(guī)模采用在對厚度要求嚴(yán)格的應(yīng)用就很理想。
2.6 Underfill工藝總結(jié)
非導(dǎo)電膜NCF最先進(jìn)，目前剛剛開始在市場推廣。NCP和CUF工藝類似，很快就會大規(guī)模應(yīng)用，CUF工藝也有頑強(qiáng)的生命力，中低端應(yīng)用會繼續(xù)采用。
Underfill對還有一個技術(shù)熱點，是工作窗口期，行業(yè)叫OpenTime。之前的產(chǎn)品，在70攝氏度的環(huán)境溫度下，工作窗口期都比較短，一個新的技術(shù)趨勢是將工作窗口期加長，行業(yè)目前最好的達(dá)到了60分鐘。
03 總結(jié)：封裝材料市場展望-導(dǎo)熱需求刻不容緩
近年來，隨著電子器件逐漸向大功率、小型化及高集成度方向發(fā)展，散熱問題逐漸成為制約下一代高功率密度電子器件發(fā)展的瓶頸問題；同時，電子元件分布密度過高或高頻電路造成的電磁干擾問題愈加嚴(yán)重，尤其是隨著高頻高速第五代通訊技術(shù)（5th Generation,5G）時代的到來，對芯片封裝與系統(tǒng)導(dǎo)熱材料提出了更高的要求。因此，如何同步實現(xiàn)電子封裝材料的高導(dǎo)熱性與整體系統(tǒng)導(dǎo)熱能成為目前急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。
芯片內(nèi)部導(dǎo)熱界面材料（TIM1），底填材料（Underfill），和基板（Substrate）的導(dǎo)熱問題，已經(jīng)成為芯片封裝材料中，導(dǎo)熱的瓶頸，市場急需高導(dǎo)熱材料的創(chuàng)新新產(chǎn)品。
參考文獻(xiàn)
[1] SEMI，《2019年全球半導(dǎo)體材料報告》
[2] 國信證券，《半導(dǎo)體與材料報告2020》
[3] SEMI，《2020年中國半導(dǎo)體報告》
[4]http://alsicthermalmanagement,blogspot,com/2010_05_09_archive,html,AlSiCThermal Management Solutions
[5] 日本信越公司官網(wǎng)
[6] 漢高公司，《2020年封裝中國年會》
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