AI/HPC時代封裝革命：解析TC-NCF、MR-MUF與Hybrid Bonding三大關鍵技術

TC-NCF、Hybrid Bonding 與 MR-MUF 究竟有何差異？解密新世代封裝核心

隨著人工智慧（AI）與高效能運算（HPC）時代來臨，封裝技術已經不再只是簡單地「把晶片裝到基板上」而已，而是講求高度整合、高頻寬、高散熱與更高的可靠度。近年來圍繞著高頻寬記憶體（HBM）的話題越來越夯，三大DRAM原廠（Samsung、SK hynix、Micron）為了讓晶片堆疊層數更多、速度更快，同時兼顧良率與散熱，便各自發展出三種最受矚目的先進製程技術：TC-NCF、Hybrid Bonding、以及MR-MUF。　

一、封裝從「微凸塊」到「混合鍵合」的演進脈絡

在既有的2D封裝或是傳統的線架構封裝中，因為對I/O密度與堆疊層數的需求有限，多半使用一般的銲線（Wire Bonding）或倒裝晶片（Flip Chip Bonding）就能達到目標。然而，面對AI、大數據與雲端運算的暴增需求後，越來越多的先進產品（特別是HBM）必須在有限的封裝高度下，堆疊更多層DRAM，並提供更高頻寬與更好的散熱。

這時候，**微凸塊（Micro Bump）**技術便扮演了重要角色：在每顆DRAM晶粒間或晶粒與基板間，透過細小的凸塊來連接。但當凸塊間距越縮越小、層數越堆越高，原本的TC-Bonder、倒裝晶片等方式也出現了極限，尤其在散熱、良率和可靠度上。

因此，業界陸續提出了TC-NCF（Thermal Compression with Non-Conductive Film）、**MR-MUF（Mass Reflow - Molded Underfill）以及Hybrid Bonding（混合鍵合）**這三大關鍵方案，試圖突破傳統封裝的瓶頸。

二、TC-NCF：利用「非導電膜」熱壓接合，工法成熟度高

1. 什麼是 TC-NCF？

TC-NCF（Thermal Compression with Non-Conductive Film）是一種熱壓接合技術，透過在晶圓或晶粒表面預先塗佈非導電膜（NCF），再以高溫高壓方式將晶片的微凸塊（或銅柱加錫帽）與基板／下層晶片可靠接合。這時，NCF在加熱過程中融化，填補空隙並固化，形成電氣連接與機械支撐的一次性製程。

2. 優勢與應用

1. 適合細間距、高密度

   • TC-NCF可應用於小於 20μm 的間距，能對應極高I/O密度，特別適用於HPC、AI晶片或3D封裝等先進應用。

2. 減少製程步驟

   • NC*F 在熱壓時同時完成電氣接合和底部填充功能，可免去後續額外的底部填充流程，縮短生產時間。

3. 降低熱應力

   • NCF在晶粒與基板間扮演「緩衝」角色，有助於抑制熱膨脹係數（CTE）差異，提升整體封裝可靠度。

4. 高階應用廣泛採用

   • Samsung、Micron等廠商在HBM (High Bandwidth Memory)的量產導入TC-NCF工藝，成為高密度先進封裝的重要利器。

     
     

3. 微凸塊（Micro Bump）與TC-NCF的差別

1. 連接方式

   • 微凸塊（Micro Bump）：可視為倒裝晶片技術的進階版，使用極小的凸塊（10~50μm）支援高密度互連，常用於2.5D/3D封裝與HBM中。

   • TC-NCF：是一種「熱壓 + 非導電膜」的高精度工藝，需搭配微凸塊或銅柱才能在極細間距下達到精準且可靠的鍵合。

2. 填充方式

   • 微凸塊：一般先回流焊形成電性接合，再額外加入底部填充（Underfill）強化封裝強度。

   • TC-NCF：則在壓合前就塗佈非導電膜（NCF），並於熱壓同時完成電氣連接與空隙填充，簡化流程。

3. 間距與精度

   • 微凸塊：可做到10~50μm，若須更精細則需更嚴格的工藝控制。

   • TC-NCF：透過熱壓與NCF的結合，能有效降低橋接風險並支援 <20μm 的超細間距。

4. 應用

   • 微凸塊：廣泛應用於3D/2.5D封裝，以及各種需要高頻寬、高密度互連的先進晶片。

   • TC-NCF：常用於HBM、GPU、AI/HPC加速器等精細封裝中，能同時滿足高密度、散熱與量產需求。

4. 回流焊（Mass Reflow） vs. 熱壓技術（TC-NCF）

回流焊（Mass Reflow）與TC-NCF皆為常見的先進封裝接合技術，但兩者適用範圍、工藝模式和成本結構差異明顯：

特性	回流焊 (Mass Reflow)	熱壓技術 (TC-NCF)
接合原理	焊料熔化→自然固化	高溫高壓 + 預先塗佈NCF
溫度範圍	約220~260°C (依焊料種類)	約200~300°C (視材料、壓力而定)
壓力	不需外加壓力	需穩定且精確的加壓
填充材料	回流後再做底部填充（Underfill）	NCF一次到位，熱壓同時完成機械支撐與電氣連接
間距適用性	中等間距（>50μm）	超細間距（<20μm）
產量 / 效率	一次能處理多顆，量產效率高	一次處理單顆或少量，產能較低
對位要求	中等（透過焊料熔化可自對準）	極高（需高精度熱壓對位設備）
設備 & 成本	傳統設備較成熟，整體成本較低	設備昂貴，工藝複雜，對高性能與高附加價值封裝更划算
典型應用	一般Flip Chip封裝、SMT大批量	3D/2.5D先進封裝（HBM、AI/HPC、高速I/O）

• 回流焊（Mass Reflow）

  • 優點：成熟度高、可大規模生產、製程與設備成本相對較低。

  • 缺點：無法支援超細間距，且後續必須增設底部填充工序。

• TC-NCF（Thermal Compression + Non-Conductive Film）

  • 優點：支援<20μm間距、高I/O密度、無需後段底部填充；NCF能在熱壓時一併填充縫隙，提升散熱與可靠度。

  • 缺點：對位精度和設備要求高，單次處理量少，整體成本較高。

三、MR-MUF：一次解決「連線 + 填充 + 散熱」

MR-MUF（Mass Reflow Molded Underfill）是近期備受注目的先進封裝技術，結合「回流焊」與「環氧模塑化合物（EMC）」，能同時完成晶片連線與封裝填充，特別適用在高層數、高頻寬且散熱需求極高的應用，如 HBM（High Bandwidth Memory）。

1. 回流焊（Mass Reflow）與 MR-MUF 的差異

回流焊（Mass Reflow）

• 定義：先將焊膏塗布於基板，再透過回流爐加熱，使焊料（錫鉛或無鉛）達到熔點，讓晶片凸點與基板焊墊形成連接。

• 特點：

  • 接合後通常還需另行「底部填充（Underfill）」；

  • 適合大批量生產，但在散熱與結構強度上較無法一次兼顧。

MR-MUF 與回流焊之間的不同

1. 填充方式：回流焊後必須再做底部填充；MR-MUF則在回流過程中同時以環氧模塑化合物（EMC）填充縫隙並包覆外部，一次完成接合與填充。

2. 製程整合：回流焊僅執行銲接，MR-MUF 直接把「回流 + 模塑填充」整合成一個流程，省時高效。

3. 散熱表現：MR-MUF 使用高導熱 EMC，相較於傳統回流焊可大幅提升散熱，如 HBM2E 相較 HBM2 約提升 36% 散熱效能。

4. 應用範疇：回流焊常用於一般倒裝晶片；MR-MUF 更適合高整合度、多層堆疊的先進應用（如 HBM）。

2. 熱壓技術（TC-NCF）與 MR-MUF 的差異

熱壓技術（TC-NCF）

• 定義：在晶圓或基板預先放置非導電膜（NCF），再以高溫高壓將晶片凸點與基板接合。

• 特點：

  • 能對超細間距（<20μm）進行高精度封裝；

  • 產量、速度較受限，成本偏高。

MR-MUF 與 TC-NCF 的差別

1. 接合方式：

   • TC-NCF 靠熱壓機機械壓合；

   • MR-MUF 則使用回流爐熔化凸點並注入 EMC。

2. 填充材料：

   • TC-NCF 採用非導電膜，導熱度較低；

   • MR-MUF 透過 EMC，擁有更高散熱與整體保護。

3. 產量與成本：

   • TC-NCF 適合小批量、精密應用；

   • MR-MUF 在大規模量產與散熱表現上更具優勢。

4. 應用場景：

   • TC-NCF 多見於超微間距封裝；

   • MR-MUF 更適用像 HBM 這類高層堆疊、高散熱需求領域。

3. MR-MUF（Mass Reflow Molded Underfill）的核心特性

MR-MUF 將傳統的「回流焊」升級為「一次性電氣連接 + 同步模塑填充」，在一個回流製程中完成高密度接合與 EMI（電磁干擾）/熱管理等要求。

• 製程步驟：

  1. 晶片預先對位於基板；

  2. 回流爐升溫，使凸點熔化並形成電氣連結；

  3. 同步注入 EMC 填充間隙並外部包覆固化。

• 三大優勢：

  1. 高散熱：EMC 常含高熱傳填料，更適合高功耗應用；

  2. 省工序：無需再做後加底部填充，一氣呵成；

  3. 支撐度佳：適合多層堆疊（如 12 層、16 層 HBM），控制晶片翹曲問題。

• 潛在挑戰：

  • 高溫回流恐導致晶片翹曲，需搭配先進補償設計；

  • EMC 材質必須保證空隙率極低並具有足夠流動性。

【補充】EMC模塑 vs. 底部填充（後加）

1. EMC 模塑：

   • 範圍：可同時填充晶片縫隙並包覆外部；

   • 材料：環氧樹脂（Epoxy）+ 填料，導熱度高（1~3W/m·K）；

   • 製程：一次模塑固化，保護性高且散熱佳；

   • 應用：如 MR-MUF，適用於高功耗、高密度堆疊（如 HBM）。

2. 底部填充（Underfill，後加）：

   • 範圍：僅針對晶片與基板間隙；

   • 材料：以毛細作用填充的環氧膠，導熱度較低；

   • 製程：多一步驟，接合後再進行點膠、固化；

   • 應用：一般 Flip Chip，常用於間距中等或較細的環境，但整體散熱不如 EMC。

4. Hybrid Bonding：移除凸塊，真正邁入銅對銅「混合鍵合」

Hybrid Bonding（混合鍵合）是一種無焊料的先進封裝技術，透過在晶圓或晶粒表面進行**銅對銅（Cu-to-Cu）**直接鍵合，同時結合介電層（如SiO₂）等分子鍵合，能達成超細間距、高I/O密度的3D整合。

1. EMC模塑（Epoxy Molded Compound）與 Hybrid Bonding 的差別

1. EMC模塑（Epoxy Molded Compound）

2. 定義：利用環氧模塑化合物（EMC）經高溫高壓注入並固化，在晶粒與基板或堆疊模組之間，形成整體包覆與支撐。

3. 製程：先完成晶粒或凸塊接合，再藉由模塑（Molding）設備將EMC灌入並固化。

4. 互連方式：透過焊料凸塊（如倒裝晶片凸塊）或微凸塊實現電氣連接，EMC僅作為填充與防護材料。

5. EMC模塑 vs. Hybrid Bonding

6. 互連方式：EMC模塑需要焊料或凸塊；Hybrid Bonding為銅對銅直接鍵合，無須凸塊。

7. 間距：EMC模塑一般在 >20μm；Hybrid Bonding可小於10μm，甚至1μm以下。

8. 填充材料：EMC模塑需環氧樹脂填充；Hybrid Bonding不須額外填充，靠晶片表面直接貼合。

9. 性能：EMC雖有不錯的散熱與保護，但寄生電感和電阻較高；Hybrid Bonding電氣與散熱效能更佳。

10. 應用：EMC模塑常見於HBM或多晶片SiP；Hybrid Bonding用於最尖端的3D IC或高效能運算晶片。

2. 底部填充（Underfill，後加）與 Hybrid Bonding 的差別

1. 底部填充（Underfill，後加）

2. 定義：在倒裝晶片或微凸塊電氣連接後，透過液態環氧樹脂的毛細作用填充晶片與基板空隙，最終固化成型。

3. 製程：「先接合，後填充」，利用點膠或噴塗，灌進間隙中增強機械穩定度。

4. 互連方式：依舊靠焊料或微凸塊來做電性連接，Underfill只作支撐。

5. 底部填充 vs. Hybrid Bonding

6. 互連方式：底部填充需要焊料凸塊；Hybrid Bonding是Cu-to-Cu直接接觸。

7. 間距：底部填充能應付 <20μm；Hybrid Bonding可進一步達到 <1μm超細間距。

8. 填充需求：底部填充要額外灌膠；Hybrid Bonding則不需要，晶圓表面直接鍵合。

9. 製程複雜度：底部填充只多加一道後填步驟，較為簡單；Hybrid Bonding需高度CMP平坦、精密對位，整體難度和成本都更高。

10. 應用：底部填充多見於倒裝晶片、微凸塊封裝；Hybrid Bonding則鎖定先進3D整合與HPC/AI領域。

3. Hybrid Bonding（混合鍵合）的特點

• 定義：透過銅墊（Cu Pad）對銅墊，以及介電材料的直接鍵合，同步實現電性和機械連接。

• 製程步驟：

  1. 晶圓表面CMP（化學機械拋光）以獲得極高平坦度。

  2. 在高度潔淨、精密對位的環境下使銅墊與介電層對齊。

  3. 在相對低溫（<400°C）與適度壓力下實施鍵合，銅墊形成金屬鍵，介電層產生共價鍵。

• 優點：

  • 可達超細間距（<1μm），I/O密度高。

  • 無需凸塊或焊料，寄生電感/電阻極低，訊號與功耗表現出色。

  • 無填充材料，散熱更有效。

• 缺點：

  • 工藝複雜，對表面平坦度、潔淨度和對位精度要求極高。

  • 設備與材料成本高、初期良率不易提升。

  • 目前主要用於高階AI/HPC與先進3D封裝市場。

4. 三者簡易比較表

特性	EMC模塑(Epoxy Molded Compound)	底部填充(Underfill, 後加)	Hybrid Bonding(混合鍵合)
互連方式	焊料凸塊 + EMC全包覆	焊料凸塊 + Underfill填充	銅對銅（Cu-to-Cu）直接鍵合
填充材料	EMC（整體包覆）	Underfill（局部底部填充）	無需（晶片表面直接接合）
間距適用性	中高（>20μm）	細（<20μm）	超細（<1μm）
散熱性能	較優（1~3 W/m·K）	一般（0.2~0.8 W/m·K）	良好（銅互連，低熱阻）
電氣性能	普通（有寄生效應）	依凸塊規格而異	極佳（超低損耗/電感）
製程複雜度	中等（模塑設備）	低（僅多一步點膠固化）	高（CMP、對位精度、潔淨度要求）
保護能力	整體保護	局部底部支撐	無外部保護，需搭配其他包覆
成本	中高	低	高
主要應用	HBM、多晶片SiP封裝	倒裝晶片、微凸塊封裝	高階3D整合、高效能運算及AI晶片

五、展望：AI 帶動先進封裝再進化

1. AI、大數據、雲端運算持續成長由於各家對巨量資料的演算需求急遽攀升，HBM這類高頻寬記憶體對整個算力的提升至關重要。未來對封裝高度、熱管理的要求越來越嚴苛，也逼著各大封裝廠、IDM廠加快腳步在TC-NCF、MR-MUF及混合鍵合中做出最適合的選擇。

2. 台積電、三星、Intel分進合擊在異質整合（Heterogeneous Integration）與先進封裝領域，台廠（例如台積電以CoWoS、SoIC、InFO等技術）具備強大影響力。三星也同樣積極推進自家I-Cube與X-Cube，Intel則以EMIB與Foveros為武器。未來，隨著混合鍵合技術愈趨成熟，整合「基底裸晶+HBM」的方式，可能會成為新的商業模式。

3. 供應鏈策略重整封裝製程從微凸塊（Bump）走向無凸塊銅互連，整個後段生態供應鏈也會洗牌：設備廠商、化學材料、封裝測試服務，都會面臨新的機會與挑戰。尤其當良率與成本壓力浮現，誰能及早在「新世代封裝」站穩腳跟，誰就能在AI浪潮中脫穎而出。

六、結語

TC-NCF、MR-MUF與Hybrid Bonding，分別代表了三種不同程度的先進封裝思維與路線：

• TC-NCF：成熟度高，但在散熱與堆疊層數上有所限制；

• MR-MUF：改善散熱、一次回流，工序效率高，SK hynix憑此在HBM市場市佔領先；

• Hybrid Bonding：移除凸塊、提升I/O密度與堆疊層數，被視為未來HBM4 16hi、HBM5 20hi的主流方案，但仍有高成本與良率關卡待克服。

對台灣來說，從IC設計、晶圓代工到後段封測的完整供應鏈，在這波封裝技術升級中具有關鍵地位。無論是採用TC-NCF、MR-MUF還是Hybrid Bonding，各家業者都在尋求「更快、更薄、更省電」的最佳解方，這也就是新世代封裝的核心意義。面對AI與高效能計算的爆炸性需求，新一輪的「封裝革命」才正要開始。