先進封裝材料熱特性大哉問！解密規格書數值、透析熱分析工具

市面上常見的先進封裝技術包括2.5D封裝技術，例如：CoWoS、I-Cube；3D封裝技術則有SoIC、InFO、XCube與Foveros等等。

這些多樣的封裝型式與技術，大多有著共同的特點，就是經由封膠(Molding)程序，將包含晶片在內的整個元件進行密封，保護其不受外在水氣、灰塵、靜電、腐蝕氣體或UV光影響。而一般提到半導體封裝材料，多數就是用來提供黏著、支撐與保護的封膠。

封裝材料的種類從金屬、塑料到陶瓷等等…各種材料都有優點和適用的產品。例如，金屬封裝擁有較佳的機械強度與散熱特性，且金屬材質本身就帶有一定的電磁波屏蔽能力。陶瓷封裝材料則具有低介電係數、耐腐蝕及熱膨脹係數小的優勢。塑料封裝價格較低且質量輕，一般擁有良好的絕緣和抗衝擊能力，也是目前半導體封裝材料的主流。

綜觀上述各種材料的優點，不難看出，許多材料特性都跟「熱」息息相關，因此在選擇封裝材料時，必須將材料的熱特性納入考量，確認材料可以承受元件工作的溫度，以確保工作整體的穩定性與壽命。

為了讓大家更好理解，我們就以最常見的「塑料封裝材料」來說明；塑料封裝材料的成分，以酚醛樹酯、環氧樹酯與矽樹酯為主，其中又以環氧樹酯類為大宗，常應用於填充支撐和絕緣的底部填充膠(Under Fill，簡稱UF)，或是作為外殼保護的模封膠(Molding Compound，簡稱MC)。下面我們就以一張填充膠的規格書(圖一)為範例，初步認識常見的幾項熱特性及相關測試。

要建立材料的熱特性基本概念，最優先要知道的就是––熱膨脹係數(Coefficient of Thermal Expansion，簡稱CTE)。熱膨脹係數通常都是溫度的函數，隨著溫度而異；塑料封裝材料的規格書中常以玻璃轉移溫度(Glass Transition Temperature，簡稱Tg)作為分界來區別。

例如圖一規格書中的CTE，在常溫到Tg之間的數值很接近常見印刷電路板水平方向的CTE；但過了Tg點之後，CTE就有了明顯的變化，在這個溫度環境下很可能導致產品因為CTE的不匹配，而造成電路板產生脫層或彎折，甚至元件或零件的斷裂及斷路現象。故CTE這個參數資訊，對於材料的選擇會是一個相當重要的指標。

那CTE要怎麼量測呢？依據樣品材質與測試工具不同，有多種規範可以參考。圖二是由宜特材料分析實驗室彙整出常見適用於熱機械分析儀(Thermomechanical Analyzer，簡稱TMA)的測試規範。但需特別注意，有時在規格書中看到的測試值，會是以材料商自行設計的測試方法測得，故測試值通常是供比較參考用。

前面有提到CTE是溫度的函數，不匹配的CTE可能造成許多不良影響。那為什麼會以Tg點來作為觀察CTE的分界呢？這就要需要了解什麼是Tg點，以及具有Tg點的材料在不同溫度下的特性了。

Tg點和熔點、沸點等相變點(Transition Point)相似，用來定義「物質於兩個狀態之間的可逆轉換溫度」。熔點為固態與液態的轉換，沸點為液態與氣態的轉換，但Tg則同為固態之間的轉變，不像一般固、液、氣三態間轉換因為有明顯的體積改變所以容易觀察。

材料的部分物理特性與溫度的關係可用圖三來概述，當材料在低溫時，會呈現出相對硬脆的特性；但當受熱升溫時，非結晶性部分的分子鏈區因獲得能量，便具有可移動的自由度，使得固體呈現出如同橡膠般柔軟的特性，因此以「玻璃態」和「橡膠態」稱呼這兩種不同的狀態，而在這兩種狀態間的過度區溫度，就被稱為「玻璃轉移溫度」，也就是Tg。

從上圖可知，Tg代表的並不是一個固定的溫度，應該視為一個「區間」較為恰當。使用者可依據製程的加工需求與產品的使用環境，來選擇合適Tg的材料，以滿足產品可靠度與壽命的需求。

那規格書中的Tg點為什麼不是一個區間，而是一個溫度值呢？這就要牽涉到「定義」的問題，在不同的測試規範下有對Tg點的量測與取法作出定義，大家才能在同樣的基礎下進行Tg點的比較。

Tg點的測試方式大略分為三種，除了如圖一規格書中出現的TMA與動態機械分析儀(Dynamic Mechanical Analyzer，簡稱DMA)之外，還有對樣品狀態寬容度相對較高的微示差掃描熱卡分析儀(Differential Scanning Calorimeter，簡稱DSC)。圖四是宜特材料分析實驗室彙整出三種測試方式，搭配常見的Tg點測試規範。

除了上述的CTE與Tg這兩項材料特性，機械特性對於材料的選擇也佔有一定的影響力，常見的機械特性比如樣品的剛度或耐衝擊能力。這兩個特性可以簡單理解成柔軟的材料容易被拉伸與彎折，也容易把受到的衝擊能量，以熱或形變的形式耗散(Dissipation)；反之，較堅硬的材料不易受外力變形，就能將受到的能量較大量的保留並傳遞下去。

規格書中的模數(Modulus)一般指的是彈性模數(或稱彈性模量)，模數的定義為應力(Stress)與應變(Strain)的比值，它與常見的機械特性剛度(Stiffness)的定義是相似的，差別在於剛度須考量樣品的結構與形狀；彈性模數則屬於材料組成的內部性質，與結構無關。

模數本身也是溫度的函數，一般會隨著溫度的上升而逐漸下降，可供製程人員選擇於合適的溫度下進行加工處理。一般規格書提供的模數為常溫下的量測數值，若有溫度條件的測試需求，則可於DMA或有加熱環境的拉伸試驗機中進行。

圖五提供一些常見彈性模數的測試方法，應該有讀者會發現，測試規範中出現了彎曲特性(Flexural Properties)和拉伸特性(Tensile Properties)兩種，為什麼會有這兩種呢？其實是來自於「測試方向」的差異，也就是又跟定義有關。

「彎曲」顧名思義就是對材料進行彎折來觀察強度特性，有分成二點、三點或四點彎曲三種不同的測試方式。而「拉伸」則是在材料的軸向施加力量，可以是拉伸或壓縮，藉由觀察樣品軸向的尺寸變化來計算對應的強度，常見的楊氏模數(或稱楊氏模量，Young’s Modulus)就是在拉伸方向下測得的彈性模數。

如果把剛封裝好的晶片，或是存放一陣子甚至使用過的晶片拿來測試，會跟規格書上的數值相同嗎？如果用上述測試方式來確認材質，是否符合要求？可以拿來做為進料檢驗的測試方式嗎？可以用這些測試來推測，是不是因為材料差異或變質造成失效？

以上這些常見疑問，答案可以是肯定的，也可以是否定的。

首先最基本的一點，就是文中多次提到的「定義」。用什麼方法測？用什麼條件測？都需要說明清楚，才能在「相同的基礎」上進行測試結果的比較。

其次，也是非常重要的一點，所有的熱分析都會牽涉到「熱」，樣品曾經歷過的加熱、冷卻以及時間長短等等過程，成就了樣品的現況，也稱為這個樣品的熱歷史(Thermal History)。

當我們要對樣品進行加熱或降溫的實驗動作，來取得需要的對應數據時，如果不是在相同熱歷史條件下的樣品，比較的基準就不同了。所以熱分析時常聽到「消除熱歷史」的這個動作，也就是在合適的熱處理條件下，使樣品達到可比較的測試基準後，再進行真正蒐集資料的測試步驟。

不過，也不是所有數據的取得都需要進行消除熱歷史的動作，甚至可能造成測試結果失去比較的意義。例如：測試Tg點時，消除熱歷史的動作可以讓材料的結晶特性表現的更準確，來取得可比較的實驗結果。反之，對熱固性樹酯做消除熱歷史的動作，反而可能造成樣品固化程度改變，就無法獲得樣品當前狀態的資訊。