微電子產業的飛速發展讓芯片的性能和復雜度不斷提升。然而，芯片的生產僅僅是第一步，要想在現實世界中可靠運行，還需要經過一道關鍵工序——封裝。

封裝不僅保護芯片免受外界環境的影響，還負責連接芯片與外部電路，提升其散熱性能和機械強度。隨著技術的進步，封裝對材料的內應力、導熱性、電性能要求也越來越高，不同材料的選用直接影響著電子產品的性能、成本和可靠性。那么，微電子封裝中常用的材料有哪些？它們各自具備怎樣的性能？

一、封裝的必要性

在微電子產業中，封裝的作用是密封以及連接集成電路形成電子系統，是確保芯片性能和可靠性的重要環節，其核心作用包括以下幾個方面：

①保護芯片：封裝為芯片提供物理保護，防止外界環境（如濕氣、灰塵、化學物質）對芯片的侵害，避免機械應力、腐蝕等損傷，從而延長芯片的使用壽命。

②散熱：芯片在工作時會產生大量熱量，過高的溫度會影響其性能甚至導致故障。封裝材料和結構通過將熱量有效傳導和散發出去，幫助芯片維持在合適的工作溫度范圍內，確保其穩定運行。

③電氣連接：封裝通過引腳、焊球或其他導電路徑將芯片與外部電路相連，確保信號傳輸的完整性和穩定性。此外，封裝還能有效減少信號延遲和串擾，提升系統的整體性能。

④機械支撐：封裝為芯片提供機械支撐，防止芯片在組裝或操作過程中因震動或壓力而損壞，保證其在各種應用環境中的可靠性。

通過這些功能，封裝在微電子產業中起到了不可或缺的作用，不僅保護了芯片的物理結構，還提升了系統的整體性能和可靠性。

二、封裝材料分類

按照封裝結構，電子封裝材料分為基板、布線、框架、層間介質和密封材料。隨著芯片的體積越來越小、重量越來越輕，散熱性能、電性能越來越好，理想的電子封裝材料必須滿足以下的幾個基本要求：（1）低內應力；（2）導熱性好；（3）良好的化學穩定性；（4）強度和剛度高，能對芯片起到支撐和保護作用；（5）良好的加工成型和焊接性能，便于加工；（6）為滿足芯片體積和質量日漸減小的需求，材料的密度應盡可能小。

以下是微電子封裝中常見的幾類材料，如塑料、陶瓷、金屬和復合材料等。而由于封裝的無鉛化發展以及高功率導致的散熱需求，導電膠和熱界面材料成為了在封裝中研究較多的熱門材料。

1.聚合物封裝材料種類

聚合物在封裝中的應用范圍非常廣泛，它可以作為膠粘劑，將半導體芯片粘在金屬框架上，可以作為堆疊后封裝芯片的模具化合物，用作存儲能量的嵌入式電容材料以及不需要衰減的電磁波的電磁干擾屏蔽材料。根據聚合物的種類，封裝材料可主要分為環氧樹脂、丙烯酸酯、聚氨酯、聚酰亞胺、聚對二甲苯和有機硅等。

2.導電膠

導電膠在封裝中起到重要作用，特別是在低溫焊接和微型化應用中。它通過基體樹脂將導電粒子結合，形成可靠的導電通路，實現電路元件的連接。相比傳統的錫鉛焊接，導電膠更環保，固化溫度更低（如環氧樹脂在室溫至150℃固化），避免了高溫焊接可能對產品造成的損害。此外，導電膠還適應電子元件的微型化和高密度封裝需求，提供高分辨率的導電連接，因此在現代封裝技術中占據重要地位。

目前市場上使用的導電膠大都是填料型。填料型導電膠的樹脂基體，常用的一般有熱固性膠粘劑如環氧樹脂、有機硅樹脂、聚酰亞胺樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯和丙烯酸樹脂等膠粘劑體系。這些膠粘劑在固化后形成了導電膠的分子骨架結構，提供了力學性能和粘接性能保障，再將具有良好導電性能和合適粒徑的導電粒子添加到導電膠基體中形成導電通路。導電填料主要是金屬填料如金、銀、銅、鋁、鋅、鐵、鎳等和碳基材料如石墨、石墨烯、碳納米管和富勒烯等，但也可以包含陶瓷填料如氮化鋁（AlN）、氮化硼（BN）、氧化鋁（Al₂O₃）和二氧化硅（SiO₂）等，以及復合材料如聚酰亞胺改性的氮化鋁填料等。

導電銀膠

3.熱界面材料

熱界面材料（TIM）是用于涂敷在散熱器件與發熱器件之間，降低它們之間接觸熱阻所使用的材料的總稱。理想的熱界面材料一般需要具備高導熱性、高柔韌性以及高絕緣性的特性，其在電腦散熱中的應用以及兩種散熱架構的示意圖如下圖所示。由于絕大多數聚合物都屬于不良導熱體，因此根據聲子導熱理論和自由體積理論，提高聚合物的有序度或者在聚合物中加入納米尺寸的高導熱填料，可以顯著提升材料的導熱性能。

兩種散熱架構的示意圖

首先是提高絕緣樹脂本身的導熱性。提高聚合物鏈的有序性，使聲子能夠得到更多的散射。分子鏈結構具有剛性骨架或者分子間具有強作用力（如氫鍵），可以抑制內旋轉，從而實現更高的導熱性。熱量更容易沿著鏈條傳輸，分子鏈的取向對于聚合物的凝聚態結構和熱導率影響很大。液晶環氧樹脂（LCE）分子具有自組裝能力，在微區具有自取向特性和特定的方向，如圖所示。

液晶結構和導熱性之間的相關性

而常用的導熱填料有金屬類（金屬顆粒、金屬纖維等）、氧化物（Al2O3、BeO、MgO 等）、氮化物類（AlN、BN、Si₃N₄等）以及碳化物類（SiC、石墨、石墨烯和CNT等）。填料的種類、負載量、尺寸、形態以及基質之間的附著力等都影響著材料的導熱性能。

①金屬類填料：金屬類填料的導熱系數很高，但是金屬都能導電，易導致短路，限制了其在導熱絕緣材料中的應用。另外，金屬纖維及顆粒均與聚合物的相容性很差，導致復合材料易于發生微觀相分離，從而使復合材料的導熱系數不高。以上問題可以通過金屬表面聚合物化接枝改性來加以克服。

②陶瓷填料：陶瓷本身是常用的絕緣導熱材料，使用陶瓷填料提高導熱性已經得到了廣泛的研究。一般來說，除了BeO外，金屬氧化物（如Al₂O₃、SiO₂等）的熱導率較低，而氮化物（AlN、BN、Si₃N₄等）的熱導率較高。

氮化鋁填料

③碳基填料：碳基材料具有比陶瓷材料更高的內在熱導率，因此少量的碳基填料就能顯著增加材料的熱導率。碳基材料中，石墨的熱導率相對較低，碳纖維和碳納米管是一維填充物，沿縱向具有高熱導率，石墨烯是具有單層結構的二維碳材料。不同陶瓷填料（氧化鋁、氮化鋁、氧化硅和氮化硼）對導熱和加工的影響如圖所示。

不同陶瓷填料（氧化鋁、氮化鋁、氧化硅和氮化硼）對導熱和加工的影響

總結

總之，在封裝過程中，材料選擇具有決定性作用，不僅影響散熱效率、機械強度和電氣性能，還直接關系到芯片的可靠性和壽命。合適的材料選擇需要在成本、環保和加工難度之間找到平衡，以滿足現代微電子產品對高性能、小型化和可持續發展的需求。當前，封裝材料的研發方向集中在更高效的散熱材料、更環保的封裝方案、高可靠性和低成本材料，以及多功能集成材料，這些創新將進一步推動封裝技術的發展，支持微電子產業的持續進步。

資料來源：

王娟娟,余英豐,景華,等.微電子封裝材料及其可靠性研究進展[J].中國膠粘劑,2023,32(02):25-41+50.DOI:10.13416/j.ca.2023.02.004.

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