AI算力需求爆发式增长，对芯片集成度、带宽与功耗的平衡提出严苛要求，先进封装成为突破芯片性能瓶颈的关键路径。芯粒（Chiplet）、2.5D/3D封装与高带宽存储器（HBM）等技术的快速发展，推动封装结构向高密度、小型化、多层化演进，芯片与基板间的热失配应力随之加剧，对封装材料的热膨胀、尺寸稳定性、绝缘性能与长期可靠性提出更高要求。电子级二氧化硅作为重要无机填料，凭借低热膨胀系数、优异绝缘性与化学稳定性，在塑封料、底部填充胶等封装材料中承担着改善热机械性能的关键作用。

基于芯粒的2.5D封装技术实现（素材来源：参考文献）

应用一：环氧塑封料

环氧塑封料（Epoxy Molding Compound，EMC）是先进封装中用量最大的塑封材料，其以环氧树脂为基体，并加入填料、固化剂等制成，主要用于包覆芯片及内部互连结构，起到机械保护、防潮、绝缘等作用。电子级二氧化硅则是其中占比最高的无机填料，填充量通常达塑封料总质量的60%～90%。其主要功能有：

1、降低热膨胀系数。由于环氧树脂与硅芯片、封装基板之间存在热膨胀差异，封装材料在固化及后续冷热循环过程中容易产生热应力，引发翘曲甚至开裂。二氧化硅本身具有低热膨胀系数，大量填充后能将塑封料的整体热膨胀系数降低至更接近硅芯片的水平，从而显著降低固化收缩率和内应力。此外，二氧化硅填料还可以在一定程度上改善复合材料的导热性能，帮助传热与散热。

封装翘曲示意图（素材来源：University of Maryland）

2、改善力学性能与可靠性。二氧化硅颗粒能够提升材料的机械强度和断裂韧性，降低吸水率，防止吸潮导致的分层，提高湿热、温度循环与功率负载条件下的长期可靠性。表面改性的二氧化硅，还能在保持高填充量的同时进一步提升韧性。

3、保障电气性能与抗软错误能力。二氧化硅具有良好的电绝缘性能和较低的介电常数，有助于满足芯片封装对绝缘性能及高频信号传输的要求。对于存储芯片等对辐射敏感的器件，采用低α射线（Low-α）二氧化硅填料，可以减少α粒子引发存储芯片等器件的软错误风险。

4、改善成型工艺性并降低成本。EMC成型时，塑封料需具备良好流动性，才能充分填充模具及芯片周围的细微空间。球形二氧化硅颗粒流动性、堆积特性好，可降低高填充体系黏度，使塑封料在高填充比例下保持良好加工性能，利于薄型化和精细间距成型。以低成本的二氧化硅替代部分树脂，也可降低成本。

EMC对二氧化硅粉体的要求，侧重点在于高填充率和流动性，也就是要求高球形度。EMC中填充多种规格的二氧化硅粉体，D50在亚微米级到微米级，最大粒径通常在25 μm以下，以确保熔体能够流入薄胶层而不堵塞。对于高端应用，纯度要求至少达到3N级，金属离子杂质含量通常要求在2 ppm以内，防止离子迁移腐蚀芯片铝电极、引起漏电失效；还要求铀（U）、钍（Th）含量不超过5.0 μg/kg，以实现低α放射性。

球形low-α二氧化硅填料Sunseal ® SS-04（素材来源：德山Tokuyama）

除了EMC，其他塑封料如液态塑封料（LMC）、颗粒状塑封料（GMC）两类新型环氧塑封料也被应用于先进封装。LMC主要用于Fan-Out晶圆级封装（FOWLP）及2.5D/3D、Chiplet封装，GMC则应用于HBM等堆叠器件的封装。LMC/GMC中二氧化硅填充量与EMC相当，对粉体要求基本一致，主要差异是在粒径方面，为了填充HBM、Chiplet的微细间隙并减少应力集中，粉体粒径趋向亚微米级甚至纳米级。

应用二：底部填充材料

在倒装芯片封装中，芯片通过凸点与基板实现电气连接，两者间存在微小间隙。底部填充材料（Underfill，UF）主要用于填充这一间隙，形成保护层，增强芯片与基板之间的机械连接。由于芯片与基板的热膨胀系数存在差异，温度变化会使焊点及凸点连接处承受反复的热应力，长期积累可能导致疲劳、开裂甚至连接失效。UF可以将热循环中的应力从焊点分散至整个芯片底面，将焊点疲劳寿命提升约一个数量级。模塑底部填充（MUF）则将底部填充和整体塑封合并，减少工序、降低成本，是2.5D/3D堆叠、HBM堆叠等倒装封装的关键技术路线。

倒装芯片封装中的底部填充材料（素材来源：Nathan Blattau’s ANSYS blog）

电子级二氧化硅是UF/MUF的主要无机填料，其作用是调节复合材料的热膨胀系数，缓解芯片与基板之间的热应力，提高焊点和互连结构的长期可靠性。UF要在芯片与基板之间10–200 μm的间隙中靠毛细作用渗入，填料粒径被间隙尺寸直接限制，粉体颗粒过大或发生团聚，都可能阻碍树脂流动，造成填充不充分。因此，通常需要采用超细粒径、窄粒径分布的二氧化硅粉体，高端应用中D50要小于2 μm。UF/MUF对二氧化硅填料的要求，侧重点在于细粒径、低粘度与高渗透性，以保证毛细流动，避免颗粒阻碍狭小间隙的填充。

应用三：封装基板及相关材料

ABF（Ajinomoto Build-up Film，味之素积层膜）是以树脂为基体、填充球形硅微粉的复合绝缘薄膜，主要应用于FC-BGA（倒装芯片球栅格阵列）等高性能封装基板。通过在基板上逐层叠加树脂绝缘层和铜线路，实现多层布线和高密度互连，是GPU、CPU等高性能计算芯片封装的重要材料。二氧化硅在ABF中主要用于调节热膨胀系数、改善尺寸稳定性、减少多层基板在加工过程中的变形与翘曲。

采用ABF积层膜的FC-BGA封装基板结构剖面图（素材来源：EBest Circuit） 

与塑封料和底部填充材料相比，ABF除了要求二氧化硅粉体具有高纯度、低α射线外，还要求细粒径、窄粒径分布和良好的分散性，避免较大颗粒或团聚体影响绝缘层均匀性和加工精度。同时，高速信号传输对材料的介电损耗（Df）也提出了更高要求，需要通过二氧化硅填料与树脂配方的协同设计，兼顾热机械性能与电性能。

FC-BGA封装基板（素材来源：LG Chem）

覆铜板（CCL）是PCB及封装基板的基础板材，高频高速CCL（M8/M9等级）以球形熔融硅微粉为用量最大的填料，填充比例逐步提升到30%-40%，要求二氧化硅粉体粒径降至亚微米级到纳米级，纯度要求提升到4N级，球化率99%。二氧化硅在CCL中的作用同样是降低材料热膨胀系数、改善尺寸稳定性，并与树脂协同优化介电常数（Dk）和介电损耗（Df），满足高频高速传输需求。但两者侧重点有所不同：ABF对粉体粒径和激光成孔加工性要求更苛刻；而CCL更强调高填充下的低粘度、钻孔加工性与批次一致性。

CCL结构（素材来源：Sipitogether）

应用四：封装辅助材料

芯片黏接膜（DAF）以薄膜形态用于芯片-芯片（如HBM堆叠）及芯片-基板黏接，在部分配方中添加二氧化硅，以调节胶层热膨胀与厚度均匀性、保护减薄芯片，要求超细球形、无粗颗粒损伤。

热界面材料（TIM）中二氧化硅作为辅助填料，与氧化铝、氮化铝等高导热填料复配使用，以调节流变性能、控制热膨胀与降低成本。

总结

从塑封到基板，电子级二氧化硅贯穿AI芯片先进封装的各类关键材料体系，承担着降低热膨胀系数、保障绝缘、提升可靠性的基础功能。各应用对粉体的形貌、粒径、纯度与介电要求不尽相同，但底层逻辑一致：以低热膨胀系数与优异绝缘性缓解封装体的热失配应力，支撑芯片在严苛工况下的长期稳定运行。随着AI芯片先进封装升级，电子级二氧化硅正在转向高纯化、精细化、球形化和功能化。能否针对不同封装材料体系开发具有差异化性能的产品，并实现稳定的批量供应，将成为把握先进封装市场机遇的关键。

参考文献

[1] Mbua, P.; Forcha, P.; Bobda, C. Effects of Poor Workload Partitioning on System Performance for Chiplet-Based Systems. Electronics 2026, 15, 1139, doi:10.3390/electronics15061139.

[2] 国家市场监督管理总局, 国家标准化管理委员会. 集成电路封装用低放射性球形氧化硅微粉: GB/T 46381—2025[S]. 北京: 中国标准出版社, 2025.

粉体圈Sherin整理