封装材料：环氧模塑料、基板、焊球与银烧结，选材到底看哪些参数
更新时间：2026-09-25。在封装入门里我们建立了「封装 = 保护 + 供电 + 散热 + 信号引出」的整体印象，又在引线键合与倒装焊里看过芯片怎样和外部相连。这一篇往下沉一层，回答一个在封装厂和芯片厂之间反复扯皮的问题：那些黑胶、基板、焊球到底是什么做的，为什么选这一种而不是那一种。工序如何把这些材料装到一起，可对照后续封装流程文章；材料选完后要经受什么考验，见封装可靠性测试；热量怎样穿过这些材料散出去，见结温与热阻。
本文要回答的问题
- 封装表面那层黑色的「胶」是什么？为什么里面要掺大量二氧化硅粉末，掺少了会怎样？
- BGA 基板说的 BT 树脂、ABF 膜、Tg 分别指什么？基板和引线框架两类骨架怎么选？
- 焊球上印的 SAC305 是什么成分？无铅化以后熔点和锡须问题为什么变得棘手？
- die attach、DAF、银烧结都是「把芯片粘住」，车规功率器件为什么愿意花几倍成本用银烧结？
- underfill 底部填充保护的是什么？面对散热、CTE、可靠性、成本四个互相打架的要求，选材怎么取舍？
一、先看截面：一颗封装里有哪几类材料
先把材料按在封装里的位置画出来。以最常见的塑封 BGA 为例，从上到下依次是模塑料外壳、硅芯片、芯片粘贴层、基板以及基板底部的焊球；倒装芯片版本则在芯片和基板之间多一层底部填充。
需要说明的是，图中每个界面在材料手册里都是一个独立的粘接课题：EMC 与芯片表面的钝化层（聚酰亚胺或氮化硅）之间、粘贴层与银镀层之间、焊球与基板铜焊盘之间，都靠各自的表面处理和偶联剂保证附着。封装分层失效，十之八九不是材料本体破了，而是某个界面先松开。理解这张层级图时，要把每一条分界线也当作一个「工程对象」来看待。
这五层对应五类完全不同的材料体系：高分子热固性材料（模塑料、基板树脂、underfill）、金属与合金（焊球、引线框架、键合丝）、陶瓷与硅（芯片本身、银烧结层里的银颗粒）。选材的本质，是让这些热膨胀程度、导热能力、吸水脾气差异巨大的材料，在 -55°C 到 150°C 的温度反复冲刷下十几年不裂、不脱、不断路。
二、环氧模塑料 EMC：二氧化硅填料撑起来的保护壳
芯片外面那层黑色硬壳叫 EMC（Epoxy Molding Compound，环氧模塑料），它不是单一物质，而是一套配方：以邻甲酚醛环氧树脂（高 Tg 型用联苯类树脂）为基体，加入固化剂酚醛树脂、阻燃剂（早年用溴化环氧加锑，现在趋向环保体系）、偶联剂、脱模剂、着色炭黑，以及占绝对大头的熔融石英或结晶石英粉，也就是二氧化硅填料。
填料的重量占比通常达到 70%~90%，体积占比六到八成，这是 EMC 配方的命门。原因要从 CTE（Coefficient of Thermal Expansion，热膨胀系数）说起：纯环氧树脂固化后 CTE 高达 60~80 ppm/°C，而硅芯片只有 2.6 ppm/°C，温度每变化一次，外壳膨胀量是芯片的二三十倍，界面剪切应力足以把芯片拉裂、把键合丝拉断。二氧化硅本身 CTE 仅 0.5 ppm/°C，把它高比例掺进树脂，混合料的 CTE 随填料占比一路下降，量产 EMC 的玻璃化温度以下 CTE（α1）可做到 8~15 ppm/°C，高档低应力料逼近 6~10。填料同时把热导率从纯树脂的约 0.2 W/(m·K)抬到 0.8~1.5，高导热型号用氧化铝或氮化硼填料可做到 2~5。
| 配方成分 | 典型占比 | 承担的作用 |
|---|---|---|
| 环氧树脂 + 酚醛固化剂 | 10%~20% | 交联成网络骨架，决定 Tg 与强度 |
| SiO2 石英填料 | 70%~90%（重量） | 压低 CTE、提高导热、降低固化收缩 |
| 阻燃剂 / 偶联剂 / 炭黑 | 1%~3% | 阻燃、增强填料与树脂界面结合、着色 |
填料的粒度和形状也有讲究。现代 EMC 普遍采用「粗粉 + 细粉」的双峰甚至多峰级配：小颗粒钻进大颗粒的间隙里，在相同粘度下能塞进更多填料，这是把占比推到 90% 而仍然保持充模流动性的关键。球形熔融石英既降低混合料粘度、又减少对键合丝的机械切割，成本敏感产品才用角形结晶石英。模塑时熔融 EMC 以高压注入模腔，流速设计不当会把纤细的金丝或铜丝冲偏甚至冲断，业内叫冲丝（wire sweep），所以填料粒径分布、凝胶时间和模温是联合标定的，换一批料往往要重新调模。
EMC 还有三个必须管控的脾气。其一是吸湿：环氧网络会吸水，封装体在潮湿环境吸入的水分在回流焊 260°C 瞬间汽化膨胀，可能把界面顶开，即「爆米花」分层，所以 SMT 上线前元件要按 MSL 湿敏等级烘烤或限时使用。其二是应力：除了用低膨胀填料，低应力料还会加入硅油或橡胶颗粒增韧，并用球形熔融石英替代棱角结晶石英，减少对芯片和极细键合丝的挤压。其三是离子纯度：氯离子、钠离子残留会腐蚀铝布线，车规和高压器件对可动离子含量按 ppm 级管控。
三、基板与引线框架：BT、ABF 与铜合金
塑封器件的骨架分两大流派。QFN、SOP、TO 这类传统封装用引线框架（lead frame），主流材料是铜合金：C194（铜铁合金）强度与导电平衡、EFTEC-64T 等高强高导合金用于多脚薄型封装，表面局部镀银供键合、镀锡或镍钯金供焊接。铜的优势是导热率 200~380 W/(m·K)、成本低、冲压量产快，所以功率器件和引脚少的器件至今离不开它。
BGA、FCBGA 这类多引脚封装则用有机基板。基板的芯板主材是 BT 树脂（双马来酰亚胺-三嗪树脂，Bismaleimide-Triazine），一种玻璃布增强的热固性层压板，特点是 Tg 高（典型 200~230°C）、耐热性和电气性能好，能扛住无铅回流的高温。更便宜的 FR-4 基板 Tg 约 130~180°C，只用于低端产品。在芯板表面做精细布线的积层介质膜叫 ABF（Ajinomoto Build-up Film，味之素积层膜），一种环氧基感光绝缘薄膜，可以激光打孔做到十几微米的线宽线距，是高端 CPU、GPU 基板的事实标准材料。
基板内部还有一层金属账要算：芯板和积层里的铜布线导热率约 390 W/(m·K)，树脂只有 0.3~0.5，所以芯片正下方的导热过孔（thermal via）密度、铜柱阵列直接决定基板的纵向散热能力，光看树脂参数会严重低估差距。引线框架表面处理也要配套选择：纯锡镀层便宜但有锡须隐患，镍钯金（NiPdAu）无铅、耐氧化、可键合可焊接，是车规框架的主流镀层，成本高出一截。
这里的 **Tg（玻璃化转变温度）**是选材的关键门槛：树脂超过 Tg 后从玻璃态变成橡胶态，CTE 突然从 α1 跳到 α2（往往 40~80 ppm/°C 起步），模量暴跌。所以基板 Tg 必须显著高于工作温度和焊接温度，并且关注 Tg 以下的面内 CTE——BT 基板面内 CTE 约 14~17 ppm/°C，被刻意设计得贴近 PCB 的 15~17，而厚度方向 CTE 高达 40~60，这是通孔焊点疲劳的主要来源。
四、芯片粘贴材料：胶、DAF 膜与银烧结
芯片不能直接搁在框架或基板上，中间的粘贴层要同时完成三件事：粘牢、导热、导电或绝缘。按性能从低到高有三档。
第一档是绝缘或掺银的环氧导热胶（die attach epoxy），点胶或印刷后加热固化，导热率 1~5 W/(m·K)，便宜、工艺宽容，消费类引线键合封装用得最多。第二档是 DAF（Die Attach Film，贴芯片膜），把环氧做成带载体的固体薄膜，预贴在晶圆背面再切割，厚度均匀、不溢胶，特别适合堆叠封装（多片芯片叠焊）和超薄 die。第三档是银烧结（silver sintering）：把微米或纳米银颗粒配成膏或膜，在 200~250°C、辅以低压或无压条件下让银颗粒互相扩散结合成多孔银层。
补充一个中间方案：高温焊料如 Au80Sn20（熔点 280°C）用于要求耐二次回流的光器件和气密封装，而过渡液相烧结（TLP）让锡与铜或银反应生成高熔点金属间化合物，用低温工艺得到耐高温的接头，是功率模块里银烧结之外的另一选择。
银烧结的价值在车规功率模块：烧结银层导热率 150~250 W/(m·K)，是普通导热胶的几十倍；熔点 961°C，不存在焊料高温熔化问题；弹性模量虽高但可通过孔隙率调节，与 SiC 芯片（可在 175~200°C 结温长期工作）搭配时，热循环寿命远超焊料。代价是材料贵、工艺窗口窄、需要专门设备，所以它只出现在对散热和寿命极度敏感的地方——新能源车主驱逆变器里的 SiC 模块是当前最大的应用场景。另一个容易被忽视的收益是可靠性结构：烧结银层不像焊料那样有明确的疲劳软化机制，在功率循环中芯片结温反复升降时，它的退化速度明显更慢，而功率循环寿命恰恰是车规模块最难做长的指标。早期工艺需要 20~30 MPa 的高压，容易压碎薄芯片，近年纳米银膏把压力降到 5 MPa 以下甚至无压，正在把这项工艺从高端模块向更宽的工业市场扩散。
五、焊球与焊膏：SAC305、217°C 与锡须
封装与 PCB 之间靠焊球阵列相连，BGA 焊球和 SMT 焊膏如今的主流是同一种无铅合金：SAC305，成分 Sn96.5%、Ag3.0%、Cu0.5%。它是 RoHS 禁铅后业界权衡熔点、强度、润湿性选出的公约数，固相线温度 217°C，液相线 220°C 左右。
| 焊料 | 成分 | 熔点 | 特点与用途 |
|---|---|---|---|
| Sn63Pb37（有铅） | 锡 63% / 铅 37% | 183°C 共晶 | 熔点低、润湿好、抗疲劳，军工航天豁免仍用 |
| SAC305（无铅） | Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5 | 217~220°C | 消费与工业主流，强度高但回流温度高 |
| SAC105 / 低银合金 | 银 0.5%~1.0% | 约 217~227°C | 省银降本，抗跌落好，移动终端常用 |
| 高银 / 掺 Bi、Ni 系 | 改性 SAC | 各异 | 改善抗蠕变或降低熔点，车规专用配方 |
无铅化带来两个连锁反应。一是整板回流峰值温度从有铅时代的约 220°C 抬到 245~260°C，于是基板要换高 Tg 的 BT、EMC 要抗更高温、吸湿器件更易分层，材料选型是被这 30°C 整体拉动的。二是锡须（tin whisker）：纯锡或高锡镀层在压应力下会自发生长出微米级的锡单晶细丝，长度可达数百微米，足以搭接相邻引脚造成短路。过去焊料和镀层里的铅能抑制锡须，无铅以后业界靠镀雾锡、镍底层、退火和共形涂覆来缓解，但至今没有根除，高可靠场合仍需在设计上留足引脚间距。
焊接界面还要关注金属间化合物（IMC，Intermetallic Compound）。焊料与铜焊盘接触后会反应生成 Cu6Sn5、Cu3Sn 层，薄薄一层 IMC 是冶金结合的标志，但长期受热后 IMC 持续增厚、变脆，并伴随柯肯达尔空洞，成为焊点开裂的起点。银的加入能细化组织、提高抗蠕变能力，这也是 SAC305 强度高于锡铜二元合金的原因。汽车电子还担心电迁移：大电流密度下金属原子沿电子流方向迁移，在细间距焊点和键合丝处形成空洞与凸丘，选材时要结合工作电流密度一并评估。
焊球本身在工作中还承担热膨胀「缓冲层」的角色：基板面内 CTE 约 15、PCB 约 17，二者失配不大，但芯片（2.6）与 PCB 之间失配巨大，温度循环中最外侧焊点的剪切应变最大，焊点疲劳裂纹通常从角部焊球开始，这正是倒装芯片必须引入 underfill 的原因。
六、underfill 与选材四维：散热、CTE、可靠性、成本
倒装芯片的焊点直径只有几十微米、间距极小，芯片和基板的 CTE 失配全部压在这些微型焊球上，几千次温循就会断。**underfill（底部填充胶）**是一种环氧基胶水，在倒装回流后点注于芯片边缘，靠毛细作用吸入芯片与基板的缝隙再固化，把焊球整体包裹起来，把局部剪切应变分散到整个芯片面积。underfill 自身 CTE 通常调到 25~35 ppm/°C 并掺入二氧化硅填料，Tg 多在 50~100°C（模量设计比 Tg 更关键），高端产品用非导电膜（NCF）或塑封底部填充一体料（molded underfill）兼顾填隙与大规模塑封，适合 chiplet 大尺寸封装；手机基带这类对跌落敏感的产品则追求 underfill 在 Tg 附近的模量台阶，让它在跌落冲击的高应变率下变硬护球、在慢温循下变软释应力。underfill 的点胶量、固化收缩和与阻焊层的附着力同样要管控，填不满的空洞会成为湿热侵入的通道。
把全篇材料按「成分 — 性能 — 用途」压缩成一张总表，这就是选材时实际翻阅的东西：
| 材料 | 主要成分 | 关键性能参数 | 典型用途 |
|---|---|---|---|
| EMC 模塑料 | 环氧 + 70%~90% SiO2 | CTE α1 8~15，导热 0.8~1.5 W/(m·K) | 通用塑封外壳 |
| BT 基板 | BT 树脂 + 玻璃布 + ABF | Tg 200~230°C，面内 CTE 14~17 | BGA / FCBGA |
| 引线框架 | C194 等铜合金 | 导热 200~380 W/(m·K) | QFN / SOP / TO |
| DAF / 导热胶 | 环氧膜 / 掺银环氧 | 导热 1~5 W/(m·K)，膜厚均匀 | 消费级 die attach、叠封 |
| 银烧结 | 微纳米银颗粒 | 导热 150~250 W/(m·K)，熔点 961°C | 车规 SiC 功率模块 |
| SAC305 | Sn/Ag3.0/Cu0.5 | 熔点 217~220°C | 焊球、无铅焊膏 |
| underfill | 环氧 + SiO2 填料 | CTE 25~35，毛细填隙 | 倒装焊焊点保护 |
下面这张图把四个选材维度和它们指向的材料决策串起来，边标签上写的就是每个维度推到极端时的选择。
四个维度几乎从不兼得：银烧结散热最好但成本是胶的十倍；高填料 EMC 的 CTE 漂亮，填料过多却使流动性下降、冲丝风险上升；低银焊料省钱但抗蠕变变差。真实项目里的选材，是先按结温和功率密度划掉散热不达标的，再按芯片尺寸和温循寿命校核 CTE 失配与焊点疲劳，剩下的方案里比成本——这个顺序不能颠倒，因为可靠性不达标在可靠性测试的温循和湿热环节会以批量失效的方式讨债，而那时省下的材料钱远不够一次现场召回。
这一篇在知识体系里的位置
- 想建立封装的整体概念 → 封装入门；
- 想看这些材料怎样通过装片、键合、倒装、塑封工序装到一起 → 引线键合与倒装焊；
- 想理解热量怎样穿过银烧结、基板、焊球散出，θJA/θJC 怎么测 → 结温与封装热阻；
- 想看材料选完后要过哪些温循、吸湿、机械考验 → 封装可靠性测试；
- 想看基板布线、焊球与 PCB 协同设计 → 封装基板与 PCB 协同设计。
总结
封装材料就是一场围绕 CTE 与散热的妥协：EMC 靠 70%~90% 的二氧化硅填料把膨胀系数压到硅能容忍的范围并兼顾吸湿与低应力，BT/ABF 基板和铜合金引线框架分别撑起多引脚与高导热两类骨架，SAC305 焊球以 217°C 熔点完成无铅互联却带来回流高温与锡须代价，DAF 与银烧结把「粘住芯片」分成消费与车规两档，underfill 则替倒装焊点分散剪切应变；选材永远按散热达标、CTE 与可靠性校核、最后比成本的顺序进行，参数表上每一个数字都是在给温循寿命和召回风险兜底。