CPO的材料挑战与技术演进：从硅光子到先进封装的关键突破（SemiVision）

    SemiVision近期更新了一篇关于共封装光学CPO材料的报告，聚焦于CPO封装和界面材料，重点阐述了紫外光学胶粘剂、液态模塑底部填充材料（MUF）、高导热毛细管底部填充材料（CUF）三大关键材料的性能特性、供应商格局及技术挑战。同时探讨了高温模量、耐化学性等核心评价指标，揭示全球供应链区域分工与创新趋势，指出材料创新是推动 CPO 规模化应用的关键基石。

一、CPO 封装的三大核心材料体系

（一）紫外光学胶粘剂

      紫外光学胶粘剂是一种通过紫外辐照设备发出的紫外线（UV）能量在短时间内聚合固化的材料。

      紫外固化树脂大致分为两大类：丙烯酸树脂和环氧树脂。虽然这两种类型都通过暴露于紫外线（UV）光固化，但它们在固化机制、性能特征和最终用途应用方面存在显著差异。

      丙烯酸树脂经历自由基聚合，这是一种由紫外光引发的链反应，激活光引发剂。该反应进行迅速，使丙烯酸基紫外树脂适用于高速生产线。它们通常具有优异的柔韧性，对各种基材的良好附着力和低收缩率，但可能对表面的氧阻聚敏感，这会影响表面固化。

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      相比之下，环氧树脂在暴露于紫外光时通过阳离子聚合机制固化。这种方法受氧气抑制的影响较小，从而具有更好的表面硬度和耐化学性。环氧紫外树脂还具有优异的热稳定性和防潮性能，使其成为电子、光学元件和结构粘接应用的理想选择。然而，它们的固化速度通常比丙烯酸树脂慢，并且通常需要通过加热进行后固化以实现完全交联和性能。

      如何在这两种树脂选择，取决于应用的具体要求，例如固化速度、机械强度、耐环境性和基材兼容性。在设计微电子和光子学中的先进封装、涂层、粘合剂或密封工艺时，了解这些差异至关重要。

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◆ 应用特点

① 专为精确的光子对准而设计，确保光纤和光子芯片之间的高精度耦合。

② 在 1310nm 和 1550nm 处具有高透射率，具有低收缩率和防雾性能，非常适合共封装光学（CPO）模块中的长期稳定光学连接。

③在光子模块中，光纤阵列单元（FAU）通常通过有源/无源对准工艺连接到光子集成电路（PIC）。实现精确对准后，应用紫外固化树脂将光纤阵列单元（FAU）固定到光子集成电路（PIC），确保长期的光学对准稳定性。

      使用过程中还必须考虑几个关键问题：

①热膨胀系数（CTE）不匹配：紫外树脂与玻璃或硅基板之间的热膨胀系数差异可能在热循环期间引入机械应力，可能导致界面分层或光学失准。

② 固化不均匀：在 V 形槽结构中，紫外光可能无法均匀穿透粘合剂层，导致未充分固化的区域，增加界面分离的风险。

③ 吸湿性和老化：一些紫外树脂具有吸湿性，可能会随着时间的推移吸收水分，这会降低光学性能或导致材料劣化。

◆ 主要供应商和产品

① Dymax：OP 系列（如 OP - 29、OP - 29 - GEL）提供快速紫外固化、低收缩率和优异的光学透明度，非常适合光纤阵列组装和在高精度应用中固定光学元件。

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② Norland Products：NOA 系列（如 NOA 138）由单组分紫外固化粘合剂组成，具有出色的光学性能和强附着力，广泛用于光电子封装中的光子元件粘接和透镜附着。

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③ Daikin：其 OPTODYNE 系列基于氟化环氧树脂，专门为光学元件应用中的高透明度和折射率匹配而设计。

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④Henkel： LOCTITE® AA 349 / Henkel LOCTITE® 3217

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⑤ Sekisui：紫外延迟固化低渗透性粘合剂 - Photolec E 系列

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      这种紫外固化粘合剂设计用于在低温条件下将光学元件快速粘合到基板上。产品特点如下：

• 延迟紫外固化：紫外曝光几分钟后开始固化，允许进行后对准。通过短暂的低温加热实现最终固化，实现快速内部固化。
• 低释气：具有高水蒸气阻隔性能和最小的排放。

      这些紫外光学粘合剂构成了强大的光子集成的支柱，实现了高密度共封装光学（CPO）环境中所需的对准稳定性和光学透明度。

◆ 供应链挑战和市场趋势

      近年来，紫外光学粘合剂的供应链面临多重挑战：

• 原材料价格波动：光引发剂、低聚物和单体等关键原材料的价格受地缘政治紧张局势、环境法规和供应链中断的影响，导致生产成本上升。
• 供应链中断：自然灾害、贸易争端和全球健康危机等事件影响了原材料和组件的供应。
• 高进入壁垒：紫外固化光学粘合剂的生产需要专用设备和技术专长，这对新进入市场者构成了重大挑战。

（二）液态模塑底部填充材料（MUF）：结构支撑与热管理的双重使命

      MUF 材料主要特征包括低 CTE（＜20ppm/℃）和高流动性（填充间隙＜50μm），典型导热系数 1W/mK，满足 JEDEC 回流测试标准：

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◆主要供应商和产品

①Panasonic：他们的液态模塑底部填充材料专门为 2.5D 和系统级封装（SiP）设计，能够在单一步骤中同时进行底部填充和包覆成型，提高封装效率和可靠性。

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②Kyocera：提供高导热性模塑底部填充材料，适用于发热封装，具有出色的填充能力和低翘曲特性。

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③ Henkel：提供一系列底部填充解决方案，包括毛细管底部填充材料，如 LOCTITE ECCOBOND UF 9000AG，专为先进的硅节点倒装芯片应用而设计，提供强大的互连保护并与大批量制造环境兼容。

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④ Namics：Namics 提供全面的高性能倒装芯片底部填充材料，旨在提高先进半导体封装的可靠性和机械强度。这些底部填充材料旨在填充芯片和基板之间的间隙，提供热循环耐久性、应力消除以及防潮和防污染物保护。

⑤ Sumitomo Bakelite：住友电木提供广泛的高性能底部填充材料，设计用于先进的半导体封装，包括倒装芯片、芯片级封装（CSP）、球栅阵列（BGA）和 2.5D/3D 集成电路应用。这些底部填充材料通过填充半导体芯片和基板之间的间隙提供关键保护，增强机械稳定性、抗热疲劳性和长期可靠性。

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⑥ Nagase：长濑的环氧树脂模塑料（EMC）材料经过精心设计，为球栅阵列（BGA）和其他先进半导体封装应用提供持久保护。长濑的环氧树脂模塑料产品组合专为高可靠性和适应苛刻工艺而设计，非常适合大型 BGA 封装，尤其是那些需要低热膨胀系数（CTE）性能的封装。

◆ 供应链挑战

• 高生产成本：开发先进的液态模塑底部填充材料（MUF）需要在研发和制造基础设施方面进行大量投资，导致生产成本升高。
• 原材料供应限制：半导体供应链内的限制影响关键原材料的供应。公司必须采用本地化制造和替代采购策略来降低风险。
• 质量和合规要求：满足全球半导体安全和性能标准具有挑战性，需要大量资源进行严格的测试和认证过程。

◆ 市场趋势

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• 市场增长：全球液态模塑底部填充材料（MUF）市场预计将从 2024 年的 3.42 亿美元增长到 2033 年的 5.4 亿美元，复合年增长率（CAGR）为 5.2%。
• 应用扩展：液态模塑底部填充材料（MUF）越来越多地用于先进封装技术，如片上系统（SoC）和高带宽内存（HBM），特别是在汽车电子和航空航天等高可靠性领域。
• 材料创新：材料科学和纳米技术的进步正在提高液态模塑底部填充材料（MUF）的性能，并降低半导体封装中的故障率。

（三）高导热毛细管底部填充材料（CUF）：高密度封装的热解决方案

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      针对高功率光电子模块，CUF 材料导热系数达 3-5W/mK，具有优异的毛细管流动性能，非常适合细间距封装和芯片级覆盖，确保在紧凑的高密度环境中的热管理和机械可靠性。典型产品包括：

① NAMICS：提供导热系数约为 1.4 W/mK 的高导热底部填充材料，保持良好的流动性和电绝缘性。这些材料适用于高密度封装和需要稳定热性能而不影响电可靠性的应用。

② YINCAE：开发了导热系数高达 6 W/mK 的金刚石填充毛细管底部填充材料。这些先进材料显著增强了 3D 封装结构中的热管理，支持高性能计算和光学模块等苛刻应用。

③Henkel：

      LOCTITE® ECCOBOND UF 9000AE：这种毛细管底部填充材料的配方满足高度集成封装设计的尺寸要求，例如用于人工智能（AI）和高性能计算（HPC）应用的封装设计。它具有低收缩率、高韧性和低热膨胀系数（CTE），提供强大的抗应力和抗翘曲保护。该材料确保无空隙封装，并与大芯片尺寸兼容，提高了先进封装中的可靠性。

      LOCTITE® ECCOBOND UF 4550HTC：一种板级毛细管底部填充材料，旨在提供增强的热性能和与集成电路钝化材料和柔性电路的附着力。它提供适用于热管理至关重要的应用的导热系数，并经过设计为印刷电路板组件（PCBAs）提供良好的热循环可靠性。

◆ 供应链挑战

• 材料成本高：先进的毛细管底部填充材料（CUF）的高成本限制了它们在某些应用中的广泛采用。
• 供应链中断：全球供应链的不稳定性对毛细管底部填充材料（CUF）的生产和及时交付构成了挑战。
• 环境法规压力：日益严格的环境法规正在推动公司开发更可持续的毛细管底部填充材料（CUF）解决方案。

◆ 市场趋势

• 市场增长：全球毛细管底部填充材料市场预计将从 2023 年的 5.45 亿美元增长到 2032 年的 9.52 亿美元，复合年增长率（CAGR）为 6.4%。
• 技术创新：像汉高这样的公司推出了新一代毛细管底部填充材料（CUF），具有高玻璃化转变温度（Tg）和超低热膨胀系数（CTE），实现了更快的底部填充和提高大芯片封装的可靠性。
• 应用扩展：毛细管底部填充材料（CUF）越来越多地被先进封装技术采用，尤其是在人工智能（AI）和高性能计算（HPC）领域。

二、材料性能的关键评价指标

      上述材料的选择和应用对于实现高性能、低延迟和可靠的共封装光学（CPO）集成至关重要。随着共封装光学（CPO）技术走向大规模部署，精确的光子对准、热效率和机械稳定性必须完美协调。材料是连接和支持这三者的重要桥梁。选择封装材料时，以下两个材料性能指标不可或缺，因为它们直接影响共封装光学（CPO）模块的长期可靠性和制造良率：

（一）高温模量：热机械稳定性的核心参数

      共封装光学（CPO）封装中使用的材料必须承受极端的工艺条件，包括：

• 多次回流循环，通常达到 260°C 或更高
• 聚酰亚胺（PI）固化工艺，温度高达 300°C
• 从 - 40°C 到 + 125°C 的热循环测试，模拟长期运行可靠性

      如果环氧模塑料（EMC）在这些热应力下失去刚性或变形，可能导致：

• 芯片移位→破坏精确的光子对准
• 再分布层（RDL）未对准→导致开路或短路
• 严重翘曲→导致封装失效或组装良率下降
• 疲劳分层→损害界面结构完整性

      根据上述特点，材料的储能模量（E'）在 25℃时需维持 10-20GPa 以保证结构刚性，260℃回流过程中需保持≥200MPa 以防止芯片移位。动态机械分析（DMA）显示，Tg 附近的模量骤降（如＞50% 降幅）会导致光子对准偏差＞50nm，而缓降型材料（降幅＜30%）可将偏差控制在 20nm 以内。

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（二）耐化学性：封装工艺的生存考验

      在 PI 涂覆（300℃有机溶剂）、RDL 电镀（酸性蚀刻液）等工艺中，工艺步骤常见的化学暴露包括研磨/清洁（去离子水、表面活性剂、弱酸/碱）、聚酰亚胺（PI）涂层和固化（有机溶剂、高温（300°C））、再分布层（RDL）构建（镀铜化学品、酸、显影剂、剥离剂）、表面贴装技术（SMT）/返工（助焊剂、清洁剂、水分、焊锡烟雾）。

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      所需的耐化学特性： - 耐化学腐蚀：材料应能抵抗在模塑后加工过程中遇到的各种化学物质，如酸、碱、溶剂和助焊剂，避免表面腐蚀、膨胀或降解。 - 低吸湿性：吸湿性低的材料可以减少水分吸收，防止离子迁移、界面分层和光学性能下降。 - 尺寸稳定性：在化学暴露和后续处理步骤中，材料应保持其尺寸和形状，确保光子对准和封装完整性。

（三）总结

      高温模量和耐化学性不仅是材料规格参数，更是实现可扩展、高良率CPO集成的基础。随着封装复杂度的提升，下一代环氧模塑料（EMC）必须在刚度、化学耐受性和热性能之间取得平衡，为可靠的光电融合奠定基础。

四、全球供应链格局与未来趋势

（一）区域分工与风险

• 紫外树脂：全球紫外树脂供应链以法国阿科玛（Arkema）、美国Dymax、德国DELO、日本长濑化学（Nagase ChemteX）、日本瑞翁（Resonac）和中国台湾的长兴材料（Eternal Materials）等供应商为核心。生产集中在亚洲，特别是中国台湾、日本和中国大陆，而欧洲和北美则以高规格配方服务于利基市场。供应链风险包括针对挥发性有机化合物（VOCs）的严格环境法规，以及支持精密光学应用所需的超纯、低收缩率配方的需求不断增加。
• 底部填充材料：主要供应商包括德国汉高（Henkel）、日本Namics、美国富乐（H.B. Fuller）、日本信越化学（Shin-Etsu Chemical）、日本住友电木（Sumitomo Bakelite）、日本长濑（Nagase）和美国铟公司（Indium Corporation）。亚洲制造中心主导批量生产，而北美和欧洲则专注于研发密集型产品。供应链挑战源于对原材料的区域依赖、地缘政治 disruption 的影响，以及对高性能、长生命周期化合物的需求不断增加。
• 模塑材料：主要由亚洲供应商主导，包括日本住友电木、日立化学、松下、京瓷，中国台湾的长春集团和长兴材料，韩国的KCC和三星SDI，以及美国的瀚森（Hexion）。虽然生产集中在东亚，但西方企业专注于无铅、低VOC和高导热变体，以支持下一代封装。这些材料面临更严格的可持续性要求以及为热和翘曲关键设计定制成分的日益增长的需求。

（二）技术演进方向

• 材料 - 工艺协同设计：如 FiconTEC 的 "光学校准 - 紫外固化 - 热后处理" 一体化设备，将对准精度提升至 ±0.1μm，固化效率提高 50%。
• 可持续发展：生物基环氧树脂（如 Arkema 的 Elium®）碳足迹减少 40%，符合欧盟《新电池法》的环保要求。
• 异构集成创新：如薄膜铌酸锂（TFLN）与 CMOS 工艺的兼容材料开发，如信越化学的低温键合胶（固化温度＜200℃）解决热失配难题。

五、结论：材料创新驱动 CPO 商业化进程

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      CPO 技术的规模化应用依赖于材料科学与光子设计的深度融合。从紫外胶粘剂的纳米级对准到高导热底部填充材料的热管理，每一层材料都承载着光电协同的关键使命。未来，随着 AI 算力需求推动封装密度突破 10⁶ TSV/mm²，具有超低 CTE（＜10ppm/℃）、超高导热（＞10W/mK）和智能响应特性（如光热调控）的新一代材料，将成为解锁下一代数据中心架构的核心密钥。企业需在材料研发、供应链韧性与工艺创新之间建立动态平衡，方能在 CPO 赛道中占据先机。