随着半导体技术发展遇到的物理限制与瓶颈，摩尔定律(Moore’s Law) 在半导体工艺上渐渐不再成立，加上晶体管微缩工艺的成本不断提高，在寻求技术发展与成本的平衡之中，「先进封装」进而带来了有效的解决方案。 2023年AI热潮席卷全世界，而人工智能发展核心关键就是高速运算(HPC)，然而先进封装大多是透过「立体结构」的堆栈方式，达到缩小体积和提升效能的目标，但材料的层层堆栈加上结构复杂，散热性、热膨胀等因素，都会影响产品稳定性与寿命。 之前宜特小学堂有分享过「如何快速找散热胶(TIM)异常点」以及「如何透过模拟掌握翘曲变形量避免异常」，本期我们一起来探讨，热特性对于选择封装材料的重要性，以及如何运用热分析工具量测热特性数值。
一、封装材料有哪些种类与特性?为何要考虑热特性? 市面上常见的先进封装技术包括2.5D封装技术，例如：CoWoS、I-Cube；3D封装技术则有SoIC、InFO、XCube与Foveros等等。 这些多样的封装型式与技术，大多有着共同的特点，就是经由封胶(Molding)程序，将包含芯片在内的整个组件进行密封，保护其不受外在水气、灰尘、静电、腐蚀气体或UV光影响。而一般提到半导体封装材料，多数就是用来提供黏着、支撑与保护的封胶。 封装材料的种类从金属、塑料到陶瓷等等…各种材料都有优点和适用的产品。例如，金属封装拥有较佳的机械强度与散热特性，且金属材质本身就带有一定的电磁波屏蔽能力。陶瓷封装材料则具有低介电系数、耐腐蚀及热膨胀系数小的优势。塑料封装价格较低且质量轻，一般拥有良好的绝缘和抗冲击能力，也是目前半导体封装材料的主流。 综观上述各种材料的优点，不难看出，许多材料特性都跟「热」息息相关，因此在选择封装材料时，必须将材料的热特性纳入考虑，确认材料可以承受组件工作的温度，以确保工作整体的稳定性与寿命。 为了让大家更好理解，我们就以最常见的「塑料封装材料」来说明；塑料封装材料的成分，以酚醛树酯、环氧树酯与硅树酯为主，其中又以环氧树酯类为大宗，常应用于填充支撑和绝缘的底部填充胶(Under Fill，简称UF)，或是作为外壳保护的模封胶(Molding Compound，简称MC)。下面我们就以一张填充胶的规格书(图一)为范例，初步认识常见的几项热特性及相关测试。
二、最基本的热特性CTE为何重要，又该如何量测?
要建立材料的热特性基本概念，最优先要知道的就是––热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion，简称CTE)。热膨胀系数通常都是温度的函数，随着温度而异；塑料封装材料的规格书中常以玻璃转移温度(Glass Transition Temperature，简称Tg)作为分界来区别。 例如图一规格书中的CTE，在常温到Tg之间的数值很接近常见印刷电路板水平方向的CTE；但过了Tg点之后，CTE就有了明显的变化，在这个温度环境下很可能导致产品因为CTE的不匹配，而造成电路板产生脱层或弯折，甚至组件或零件的断裂及断路现象。故CTE这个参数信息，对于材料的选择会是一个相当重要的指标。 那CTE要怎么量测呢？依据样品材质与测试工具不同，有多种规范可以参考。图二是由宜特材料分析实验室汇整出常见适用于热机械分析仪(Thermomechanical Analyzer，简称TMA)的测试规范。但需特别注意，有时在规格书中看到的测试值，会是以材料商自行设计的测试方法测得，故测试值通常是供比较参考用。 三、为何需要量测玻璃转移温度(Tg)? 前面有提到CTE是温度的函数，不匹配的CTE可能造成许多不良影响。那为什么会以Tg点来作为观察CTE的分界呢？这就要需要了解什么是Tg点，以及具有Tg点的材料在不同温度下的特性了。 Tg点和熔点、沸点等相变点(Transition Point)相似，用来定义「物质于两个状态之间的可逆转换温度」。熔点为固态与液态的转换，沸点为液态与气态的转换，但Tg则同为固态之间的转变，不像一般固、液、气三态间转换因为有明显的体积改变所以容易观察。 材料的部分物理特性与温度的关系可用图三来概述，当材料在低温时，会呈现出相对硬脆的特性；但当受热升温时，非结晶性部分的分子链区因获得能量，便具有可移动的自由度，使得固体呈现出如同橡胶般柔软的特性，因此以「玻璃态」和「橡胶态」称呼这两种不同的状态，而在这两种状态间的过度区温度，就被称为「玻璃转移温度」，也就是Tg。 四、模数又是什么，该如何量测 ? 除了上述的CTE与Tg这两项材料特性，机械特性对于材料的选择也占有一定的影响力，常见的机械特性比如样品的刚度或耐冲击能力。这两个特性可以简单理解成柔软的材料容易被拉伸与弯折，也容易把受到的冲击能量，以热或形变的形式耗散(Dissipation)；反之，较坚硬的材料不易受外力变形，就能将受到的能量较大量的保留并传递下去。 规格书中的模数(Modulus)一般指的是弹性模数(或称弹性模量)，模数的定义为应力(Stress)与应变(Strain)的比值，它与常见的机械特性刚度(Stiffness)的定义是相似的，差别在于刚度须考虑样品的结构与形状；弹性模数则属于材料组成的内部性质，与结构无关。 模数本身也是温度的函数，一般会随着温度的上升而逐渐下降，可供工艺人员选择于合适的温度下进行加工处理。一般规格书提供的模数为常温下的量测数值，若有温度条件的测试需求，则可于DMA或有加热环境的拉伸试验机中进行。 图五提供一些常见弹性模数的测试方法，应该有读者会发现，测试规范中出现了弯曲特性(Flexural Properties)和拉伸特性(Tensile Properties)两种，为什么会有这两种呢？其实是来自于「测试方向」的差异，也就是又跟定义有关。 「弯曲」顾名思义就是对材料进行弯折来观察强度特性，有分成二点、三点或四点弯曲三种不同的测试方式。而「拉伸」则是在材料的轴向施加力量，可以是拉伸或压缩，藉由观察样品轴向的尺寸变化来计算对应的强度，常见的杨氏模数(或称杨氏模量，Young’s Modulus)就是在拉伸方向下测得的弹性模数。
五、热分析仪量测到的数值，都是材料的真正数值吗 ?
如果把刚封装好的芯片，或是存放一阵子甚至使用过的芯片拿来测试，会跟规格书上的数值相同吗？如果用上述测试方式来确认材质，是否符合要求？可以拿来做为进料检验的测试方式吗？可以用这些测试来推测，是不是因为材料差异或变质造成失效？ 以上这些常见疑问，答案可以是肯定的，也可以是否定的。 首先最基本的一点，就是文中多次提到的「定义」。用什么方法测？用什么条件测？都需要说明清楚，才能在「相同的基础」上进行测试结果的比较。
其次，也是非常重要的一点，所有的热分析都会牵涉到「热」，样品曾经历过的加热、冷却以及时间长短等等过程，成就了样品的现况，也称为这个样品的热历史(Thermal History)。 当我们要对样品进行加热或降温的实验动作，来取得需要的对应数据时，如果不是在相同热历史条件下的样品，比较的基准就不同了。所以热分析时常听到「消除热历史」的这个动作，也就是在合适的热处理条件下，使样品达到可比较的测试基准后，再进行真正搜集数据的测试步骤。 不过，也不是所有数据的取得都需要进行消除热历史的动作，甚至可能造成测试结果失去比较的意义。例如：测试Tg点时，消除热历史的动作可以让材料的结晶特性表现的更准确，来取得可比较的实验结果。反之，对热固性树酯做消除热历史的动作，反而可能造成样品固化程度改变，就无法获得样品当前状态的信息。
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