熱致翹曲（Thermally induced warpage）是由不同材料在受熱時膨脹速率不一致所導致的，目前在大尺寸晶片和封裝中正變得日益棘手。解決這一難題的方案，或許在於引入一類受熱時反而會收縮的新型材料。
與其完全依賴少數幾種具備收縮特性的天然物質，業界公司正將重點轉向具有晶格結構（lattice structure）的混合材料，這種結構能夠抵禦材料想要膨脹的衝動。將此類材料用於底部充填（underfill）和封裝模塑化合物（molding compound），可以在保持大尺寸封裝剛性的同時，有效遏制翹曲現象。
翹曲：晶片封裝的大敵
翹曲現象（尤其是在大尺寸封裝和面板中）的發生，是因為基板、晶片以及周圍的模塑化合物等材料在受熱時的行為存在差異（熱失配）。這是制約封裝基板、轉接板（interposer）和面板不斷擴大尺寸的最大瓶頸之一。結合面積越大，邊緣連接不良或徹底失效的可能性就越高。甚至在鍵合之前，過大的翹曲度就會導致真空吸盤等標準製造裝置的功能失效。
“真空吸盤雖然可以將翹曲拉平，但如果翹曲過於嚴重，你就無法獲得良好的真空度，”Amkor 晶圓服務高級經理 Knowlton Olmstead 表示。
在兩種熱膨脹係數（CTE）不同的材料交界處，某種程度的翹曲幾乎不可避免。舉例來說，對於兩層相連的材料，如果底層材料的 CTE 較高，它就會傾向於以自身速率大幅膨脹；但假設兩層材料粘合良好，上層材料就會限制它的膨脹。這會導致底層材料的邊緣向上捲曲。
理論上，只要存在 CTE 差異，就不可能徹底消除翹曲。問題的關鍵在於：翹曲到什麼程度算“過量”？如果過量了，又能採取什麼對策？
“我們會進行一定程度的前期建模來預測翹曲，然後可以通過拉動一些‘槓桿’（調整參數）來控制它，”Olmstead 補充道。
如果矽是其中一層（通常如此），減薄矽片厚度可以降低翹曲程度。“如果矽片更薄，低 CTE 矽的影響就會降低，”Amkor 芯粒/FCBGA 整合業務副總裁 Mike Kelly 表示，“在亟亟端情況下，你可以把它做得超薄，這樣它就能貼合所粘附的任何物體的形狀。但這又會帶來新問題，因為在應對高功耗場景時，沒人希望使用太薄的矽片。”
翹曲還會影響玻璃等新材料的應用前景。“擬製造的面板尺寸越大，看到的翹曲就越明顯，”Synopsys 首席產品經理 Lang Lin 表示，“如今我們討論的是微米級的翹曲，但如果是玻璃，翹曲可能會達到毫米級。”
目前正在探索的一種方法是找出或設計出在受熱時會收縮的材料，即賦予其負熱膨脹係數（negative CTE）。
“負 CTE 材料可以通過多種方式來抵消膨脹，”Brewer Science 研究科學家兼 IV 組組長 Luke Prenger 表示，“使用方式取決於最初為什麼需要抵消膨脹。對於應力管理和降低翹曲等需求，負 CTE 材料有助於更好地匹配不同材料之間的 CTE。一個典型應用案例是將填充劑加入到聚合物材料中——聚合物的 CTE 通常遠高於無機物，通過加入填充劑來降低聚合物基質的整體 CTE，使其更接近器件中的金屬層和其他元件。降低或調節有機層的 CTE 使其貼近無機層，有助於減少器件中的翹曲和整體應力累積。”
逆流而上：改變膨脹機制
導致翹曲的材料介面之一，是用於填充和底部充填的環氧模塑化合物（EMC）。它填補了封裝內部的所有主要縫隙，因此當溫度變化時，它會影響所接觸的一切結構。改變該化合物的成分可以緩解翹曲——關鍵在於改變 CTE，其中負 CTE 是抵消相鄰正 CTE 的理想選擇。此外，將正 CTE 材料與負 CTE 材料混合，也可以改變組合材料的整體 CTE。
有多種材料可以展現出真正的負熱膨脹（NTE）特性，不過這通常僅發生在特定溫度範圍內，也可能與相變相關。例如，水在 3.98 °C 以上表現正常，低於該溫度則向結冰狀態轉變。眾所周知，冰由於其分子結構的原因密度低於水，因此當水在 3.98 °C 到 0 °C 之間逐步形成這種構型時，它會在最終徹底結冰前發生膨脹。
與展現出真正 NTE 特性的材料不同，另一類物質則是由封裝在晶格中的普通材料組成，由晶格來限制其膨脹。這種晶格的結構對於決定被封存物質的行為至關重要。
“關鍵在於填充劑自身的結構，”三菱化學集團（Mitsubishi Chemical Group）半導體業務全球市場與業務發展高級總監 Sanjiv Bhatt 表示。
固體可以擁有極其多樣化的分子排列方式。聚合物可以是無定形的，而無機材料通常具有某種晶格結構。材料科學家會對不同的結構進行分類，並研究它們的流變特性（即研究它們如何流動）。
他們用“紙牌屋”（house-of-cards）、“剛性棒”（rigid-rod）或“四面體”（tetrahedral）等詞彙來描述晶格結構。這些結構各自表現不同，可以在一個或多個維度上建立剛性。晶格（也稱為基質或網路）內部包含的內容也會影響流動，組合而成的 NTE 材料就反映了這樣一種結構——限制性基質中嵌入了功能材料。
“這更多是網路結構的問題，而不是單純材料本身的問題，”Bhatt 解釋道，“並非所有東西都會形成相同的網路。碳粉會形成絮凝網路（flocculated network）；如果看碳纖維網路，那是一個起增強作用的剛性棒網路。因此，如果你把碳纖維放入基質中，就像把木頭扔進河裡。如果我在水裡放木頭，對水流動能力的影響微乎其微——它會有些許限制，但水依然能在木頭縫隙間穿流。但如果我在水裡放入大量黏土，就會把水弄混濁，並字面意義上限制水的流動，因為你改變了它的黏度。”
困於籠中
這種由基質包裹另一種材料的結構，能夠限制被封存物質膨脹的傾向。受熱時，它甚至可以通過重新定向結構中的分子來實現微幅收縮。在流變學中，膨脹和收縮被當作流體力學行為來研究，因此在受限情況下，流動被重新引導，從而規避了原本可能發生的翹曲。
“很多人談論收縮和膨脹，但對我來說，從流變學角度看，這些都是低剪下速率下的流動行為，”Bhatt 表示，“當你觀察基質中的物質時，加熱時它之所以收縮或膨脹，是因為它必須流動。分子想要鬆弛放鬆，而這種流動會尋找最輕鬆的路徑。現在你融入某種東西把它框住（囚籠化），就改變了這種流動的動力學。”
“在這些[填充]材料中，你擁有一個‘紙牌屋’式的晶格，它不允許自由移動，網路自行排列，使得最終形成的基質呈現出負 CTE，”Bhatt 說，“自組裝（self-assembly）就是化學發揮作用的地方——你必須確保這些物質經過適當的官能化，以便它們能以特定的方式自我排列。”
一種材料試圖膨脹，卻被另一種結構強行限制，這引發了一個疑問：基質是否會因膨脹材料施加的壓力而破裂？答案是肯定的。這被稱為熔化（melting），此時整個構型歸於坍塌。
“如果你有一個基質，你把它熔化，它開始流動，這就好比破裂的類比，”他說，“但到了那個階段，材料已經達到了基質的熱承載極限。”
儘管這種基質改變了被封存材料的流動特性，但它並不會改變該材料的特徵溫度。“增強結構對基質材料的熱轉變行為幾乎沒有影響，”Bhatt 指出，“它絕不會改變玻璃化轉變溫度或熔融轉變溫度。”
這並不是要製造出熱膨脹係數恰好為零（zero-CTE）的材料，其核心思路是調控化合物的 CTE，從而將不同材料之間的差異最小化。
“我們的負 CTE 填充劑會隨著溫度升高而收縮，從而抵消樹脂的自然膨脹，”Bhatt 表示，“通過降低並精確調控模塑化合物的有效 CTE，可以減少晶片、基板和封裝膠之間的熱膨脹失配，有助於將應力和封裝翹曲降至最低。”
NTE材料迎頭亮相
NTE材料非常罕見，這是其短板所在。“負 CTE 材料的選擇非常有限，”Prenger 證實道，“β-尤克石（β-eucryptite）正被積極用作某些工具中卡盤和部件的陶瓷材料，而鎢酸鋯（zirconium tungstate）則被用作各種模塑化合物和底部充填材料的加入劑。”
雖然尤克石（意為“隱匿深藏”）可以在自然界中找到（顯然前提是你足夠努力去找），但鎢酸鋯並非天然存在。由於在全部三個維度上都具備 NTE 特性，它是人工合成的 NTE 物質之一。這類材料的設計難度極高。
“除了負 CTE 材料本身的可選項極少外，設計新材料也非常複雜，而且目前僅存在於無機材料領域，”Prenger 解釋道，“對於有機材料，幾乎所有被標註具有負 CTE 的聚合物材料，都僅在單維方向上呈現負值，而非三維方向。這導致有機材料只能侷限於加入無機填充劑這一途徑。”
儘管 NTE 材料作為研究課題已有相當一段時間，但三菱化學集團近期已正式推出了此類商業化材料。這是一種可以與有機環氧樹脂混合的無機材料，用於定製環氧樹脂的 CTE。此外，它還提供與樹脂預混好的成品。
如果這一方案得到驗證且其他材料公司紛紛跟進，它可能會成為半導體封裝的標準配方。不過要取得商業成功，這些材料必須在寬溫度範圍內保持穩定性能，不僅要覆蓋加工工序，還要能承受更高溫度的製造操作。它們必須能夠輕鬆且均勻地混合到樹脂中，同時絕不能因雜質引發α粒子發射而帶來意外副作用。
如果一切按計畫推進，這或許將成為推動更大尺寸封裝和面板問世的又一堅實步驟。 (半導體芯聞)