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產業技術評析

半導體構裝用封裝材料之發展概況
發表日期:2021-11-10
作者:陳靖函(工研院)
摘要:
日新月異之半導體製程技術得以衍生出眾多新產品與應用,更因5G通訊技術具備大連結,超高速,低延遲的三大主要優勢,讓半導體產業更如虎添翼,預估5G新技術將同步帶動全球防疫科技、智慧家庭、智慧製造、智慧醫療、汽車電子等應用需求持續提升;同時為配合電子產品持續微型化與功能多樣化的要求,晶片整合的需求與日俱增,不僅製程端不斷提高晶片電路的解析度,以達到更高密度的電路佈局來減小產品體積,構裝技術的不斷進化也是一大助力,於此同時,封裝材料的性能也將是關鍵重點之一,近年來封裝材料持續朝著低介電損耗(Low Df)與填料(Filler)粒徑微形化等特性發展,為以支援不斷進步的晶片構裝需求。

全文:

日新月異之半導體製程技術得以衍生出眾多新產品與應用,更因5G通訊技術具備大連結,超高速,低延遲的三大主要優勢,讓半導體產業更如虎添翼,預估5G新技術將同步帶動全球防疫科技、智慧家庭、智慧製造、智慧醫療、汽車電子等應用需求持續提升;同時為配合電子產品持續微型化與功能多樣化的要求,晶片整合的需求與日俱增,不僅製程端不斷提高晶片電路的解析度,以達到更高密度的電路佈局來減小產品體積,構裝技術的不斷進化也是一大助力,於此同時,封裝材料的性能也將是關鍵重點之一,近年來封裝材料持續朝著低介電損耗(Low Df)與填料(Filler)粒徑微形化等特性發展,為以支援不斷進步的晶片構裝需求。
 

一、半導體模封材料的種類
 

固態模封材料(Epoxy Molding Compound; EMC)主要是由環氧樹脂、酚醛樹脂、觸媒、二氧化矽微粉等組成,是發展最早、應用最成熟的環氧塑封料種類,如圖一。固態模封材料有兩種模封方式:轉注成型(Transfer Molding)與壓縮成型(Compression Molding),其中利用轉注成型(Transfer Molding)製程來進行模封,是半導體封裝材料中最常使用的,從傳統結合導線架的構裝樣式到BGA構裝型態的封裝幾乎都是使用該材料;若其應用於大面積Wafer Level進行封裝時,是以顆粒狀模封材料(Granule Molding Compound, GMC)均勻灑佈後,利用壓縮成型(Compression Molding)製程來進行模封。
 

圖一、固態環氧樹脂封裝材料

資料來源:長興材料
圖一、固態環氧樹脂封裝材料
 

環氧模封樹脂亦是最常見的固態模封材料,它是由環氧樹脂(5~10wt%)、硬化劑(5~10wt%)、催化劑、無機填充劑、偶合劑、耐燃劑、脫模劑與顏料等所組成,其中無機填充料二氧化矽(silica)(60~90wt%)佔比最多,而球形silica的尺寸很重要,尺寸大容易造成空隙(voids),若是使用超小填料(ultra small fillers)也需注意製程時產生之揚塵問題,亦會造成清潔的不便,同時,Filler材料也會影響整體模封材料的Dk、Df值;環氧樹脂材料部分,雖然僅佔5~10wt%,其低翹曲(Low Warpage)性能可提升對於整體構裝產品的可靠度,是決定產品及加工性質最主要的材料。

固態模封材料主要應用於一般IC封裝,如:TSOP、DIP、QFN、Dual QFN、QFP、BGA等,近年來也應用於大面積封裝中。由下表一可見固態模封材料之組成與各材料之重量百分比。另外,已經有公司發展環保型環氧封裝材料(Green Epoxy Molding Compound),率先開發不含溴、銻元素的環保型環氧封裝材料。
 

表一、固態模封材料配方成分
材料名稱 材料組成 %Weight
Epoxy Resin OCN, Bi-P, DCPD, MAR 5~10
Hardener Phenol Novolac, Flexible Phenol 5~10
Filler Silica (SiO2) 60~90
Flame Retardant Brominated Epoxy, Sb2O3 < 10
Catalyst N Compound, P Compound < 1
Coupling Agent Silane Compound < 1
Releasing Agent Natural Wax, Synthetic Wax < 1
Others Colorant, Low Stress Additive < 1

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2021/11)
 

液態封裝材料最主要的用途在於COB(Chip on board)、底部充填膠(Underfill)、捲帶式的TCP/COF基板與晶片接合後填入以保護接合點等使用。另外,針對Fan-Out Wafer level Package構裝的液態封裝材料(Liquid Molding Compound; LMC)是現在市場採用的主流材料,直接利用壓縮成型製程來進行封裝。

異方性導電膠膜ACF(An-isotropic Conductive Film) 材料本身是由一定添加量的導電粉體均勻的分布在有機樹脂材料中,利用塗佈方式(Coating)以B-STAGE的薄膜形式存在;當ACF使用熱壓合製程貼合於IC表面的凸塊與基板線路之間時,利用適當的壓力、時間、溫度,使得導電膠開始流動,導電粉體則與凸塊及基板線路接觸,進而達到電氣導通的作用,同時適當的導電粉體粒徑及添加量,使其在凸塊與凸塊之間彼此無法接觸,而達到異方性導通的特性。ACF主要利用熱壓合製程來進行驅動IC與基板的接合。

片狀封裝材料則是近年來針對WLP、PLP這兩類晶圓級封裝的發展趨勢所研發出可以達到完整貼附的大面積封裝材料、特性是可精確控制材料重量、厚度,且於製程中不會產生揚塵問題的新型材料。

如下圖二所示,可見未來的大面積封裝時,主要使用片狀膜材和顆粒材料,而片狀膜材厚度又可控於約200μm甚至更薄。目前12吋晶圓的薄型化封裝主要使用的是液態封裝材料。

圖二、Each Encapsulant Material for FOWLP/PLP

資料來源:Panasonic
圖二、Each Encapsulant Material for FOWLP/PLP。
 

二、全球封裝材料市場分析
 

2020年初,爆發了COVID-19疫情,而疫情約莫於第二季開始蔓延全球,使得半導體市場對全球半導體需求連年成長的評估開始略顯猶豫,加上汽車銷售不如預期,使得車用電子的封裝材料需求下滑,但於2020年下半年開始,整體市場卻又因疫情帶起遠端科技需求,使居家工作、遠距教學、宅經濟等居家防疫與零接觸需求升溫,連帶提升終端產品(NB、平板、遊戲機)與網通設備(伺服器、SSD、網路交換機)等銷售量增加,再加上5G技術的逐步成熟、終端裝置需求數量成長,使全球封裝材料需求因此不減反增。

是故,封裝材料未來成長動能將來自車用電子、車用ECU以及5G相關應用模組為主;而其中MUF材料主要應用於AP(Application Processor)和BB(Baseband Processors)封裝中,未來MUF材料會因DRAM導入FC-CSP構裝需求增加而增加,而市場上對於AiP和SiP之構裝需求提高,也將對MUF材料的市場需求再增添一份動能。若由MUF的售價來看,MUF價格會隨著二氧化矽填料的粒徑愈小而愈貴,MUF粒徑< 20μm的價格約為粒徑30μm的3~4倍之多。

2021年開始,已經有國家逐漸走出疫情的陰霾,經濟逐漸復甦當中,但仍有國家正在經歷疫情的考驗,不論如何,半導體產業對於車用電子需求以逐步走強之態勢預估,加上全球對消費性電子產品的需求持續,將同步提高記憶體、功能性模組、網通相關設備與雲端運算系統需求,因此,如下圖三所示,預期未來封裝材料之需求也將持續上揚。

圖三、2019~2025年全球封裝材料銷售趨勢預估

資料來源:富士キメラ総研 (2020)
圖三、2019~2025年全球封裝材料銷售趨勢預估。
 

三、國際大廠發展概況
 

封裝材料(Encapsulant)製造廠商,主要為日商與德商,如:Sumitomo Bakelite(日商)、Panasonic(日商)、Namics(日商)、Kyocera(日商)、SHOWA DENKO(日商)、Henkel(德商)等。預期將因5G技術帶來之市場,使汽車電子和AIoT智慧應用等產品需求逐年提高,加上全球電子業對邏輯晶片、記憶體晶片的需求仍然有增無減,種種因素加總,皆加大構裝產業對各類封裝材料產品的需求。

(一) Sumitomo Bakelite

Sumitomo Bakelite自1971年以來,不斷技術創新,在封裝材料全球銷售量處於領先地位。於日本(九州)、新加坡、中國大陸、台灣 皆有工廠,使產品能夠更順暢地交付給世界各地的客戶。該公司提供多種封裝材料,以滿足半導體封裝的各種要求;同時專注於車用材料,如封裝ECU模組與Motor固定材料;也為了電源模組研發出高耐熱產品,並提供玻璃化轉變溫度(Tg)由220至250°C樣品。

同時,住工是由台灣長春人造樹脂與Sumitomo Bakelite共同投資設立之公司,以銷售半導體封裝用環氧樹脂成型材料。

(二) Panasonic

Panasonic封裝材料產品多樣且齊全,並致力於高附加價值產品之開發。關於先進構裝FOWLP/PLP的封裝材料,產品可根據客戶所需的封裝厚度和尺寸提供顆粒、液體和片狀三種不同形式之封裝材料,進行壓縮成型或層壓成型製程;並對持續薄型化的封裝與不斷增大的尺寸與低翹曲需求進行產品優化,以提高下游IC產品的生產效率。

此外,Panasonic生產的MUF材料,不僅達覆晶(Flip Chip)封裝晶片下窄間隙的無空隙填充需求、同時對晶片產品做完全封裝,亦具備低熱收縮(Low thermal shrinkage)、降低翹曲(reduced warpage)與控制彈性提高黏度(controlled elasticity enable high adhesion)等特性,並可確保在寬溫範圍內對於整體構裝產品的可靠度。

(三) Kyocera

Kyocera公司開發了一種導熱係數為 6W/mK 的高導熱環氧封裝材料,產品透過更高的氧化鋁填料含量實現了極高的導熱性,同時仍可保持出色的流動性。可提供轉注成型和壓縮成型製程使用。透過使用高導熱封裝材料,封裝的散熱性變得更好,預期可以省去使用其他散熱元件,以簡化整體產品之封裝結構設計。

(四) Henkel

Henkel設計了多種構裝產品所需使用MUF材料時之解決方案,以滿足各種不同要求。從BGA,CSP,POPS,LGAS和WLCSP的底部填充到提高階覆晶(Flip Chip)封裝需求的材料,Henkel的配方皆可達到緩解應力,同時提高對應熱之能力,並且具備UV或熱固化性能。

(五) NAMICS

Capillary Underfill (CUF)銷售於世界排名第一,產品約70%供應給邏輯晶片封裝使用,公司產品強調支援low-K、Cu-pillar和Pb-free bumps與狹小的構裝間隙使用,近年來伺服器等網通設備需求增加,預估CUF使用量也將逐年增加,故NAMICS公司亦同步增加產能來因應大勢所趨。

(六) SHOWA DENKO

SHOWA DENKO開發的環氧封裝材料是以支援IC載板和支援導線架來區分, 支援IC載板部分,以支援CSP、BGA、Stacked MCP為主,具有低翹曲和優異的抗回流裂紋性,同時可作為MUF材料使用,也適用於窄間距(Narrow Pad Pitch)和長導線的封裝。

而支援導線架的封裝材料,是以優異的防潮性、抗熱衝擊性以及回流抗裂的特性來支援傳統DIP, SOP, TSOP, QFP, TQFP, LQFP等封裝形式的IC晶片。
 

四、結論
 

先進構裝技術中,對於支援晶片高頻高速的性能要求日漸增加,故構裝材料未來研發方向需往更低的介電損耗(Low Df)值邁進,封裝材料也不例外,國際大廠正在開發更低Df值材料之配方。另一方面,由於封裝材料在製程冷卻後,可能會因為與其接觸的IC載板材料之熱膨脹係數(CTE)值不匹配,而發生翹曲(Warpage)問題,是故,未來封裝材料之發展重點,將會圍繞在低熱膨脹係數(Low CTE)、低模量(Low Modulus)、高流動性與低介電損耗等特性持續優化之。

2020年疫情爆發以來,因零接觸的防疫需求,加深了人們對半導體產品的依賴,又2021年開始,車用電子晶片需求也加入與各大消費性電子產品搶單、搶產能的行列,因此,預估未來無論是傳統晶片、高階晶片乃至模組的構裝產品需求,皆與日俱增,而如此多樣性且大量的IC產品中,皆須使用封裝材料來保護,以防止晶片受潮、毀損以維持整體IC產品之性能,故封裝材料需求可望將因此而持續成長下去。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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