半導體與電子產業應用｜晶片與電子模組之熱管理與材料量測
隨著電子產品的效能與功能不斷提升，元件所產生的廢熱也顯著增加。 若缺乏良好的熱管理設計，不僅會降低運算效能，也會縮短元件壽命並降低能源使用效率。 透過系統性的熱分析與熱物性量測，可在設計、製程與品管階段，預先掌握晶片、封裝材料與導熱材料的行為， 協助打造高可靠度、高功率密度且體積更精巧的電子產品。
半導體與電子產業為何需要熱分析與熱物性量測？
現代半導體材料如矽（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）、碲化鉍（Bi2Te3）與硫化鎘（CdS）等， 已成為電腦、顯示器、智慧型手機及固態照明等電子產品的核心。 這些材料與相關電子元件在實際運作時，會受到複雜的溫度負載與電熱耦合作用， 因此必須透過熱分析與熱物性量測，來完整掌握其熱導率、熱膨脹、电性與可靠度。
透過現代熱分析與電輸運量測技術，可針對以下關鍵問題提供定量答案：
- 晶片與封裝的可靠度：在何種熱循環或溫度應力條件下，晶片或焊點可能產生裂紋、翹曲或失效？
- 導熱路徑與材料選擇：矽晶片、基板、焊料、黏著層與封裝材料的熱導率與熱阻是否足以將熱有效導出？
- 感測元件表現：溫度感測器與功率元件在高溫或劇烈溫度變化下的輸出是否仍然穩定可預測？
- 黏著與封裝固化程度：黏著系統與封裝樹脂是否已充分固化，避免長期漂移或機械強度不足？
- 製程與環境控制：離子佈植剖面與潔淨室中揮發性有機物（VOC）污染是否在可控範圍之內？
常用技術包含差示掃描量熱（DSC）、熱重分析（TGA）、熱機械分析（TMA／DIL）、雷射閃射法（LFA）、暫態熱導率量測（THB）、熱介面材料測試（TIM-Tester）， 以及 Seebeck／電阻率／Hall 量測等電輸運分析平台，可對半導體與電子元件提供完整的熱與電特性描述。
應用案例一：功率模組與相變材料的熱導率與儲熱能力（THB / 熱導率量測）
在電源供應器、伺服器、電動車逆變器與功率模組中，常透過相變材料（PCM）或特殊導熱膏， 來緩衝瞬間熱峰值並維持元件溫度在安全範圍。 透過暫態熱橋（Transient Hot Bridge, THB）等熱導率量測技術，可在不同溫度下評估 PCM 或導熱材料的 熱導率、比熱與相變過程中的熱行為，協助優化熱設計。
量測與解析重點：
- 熱導率與熱阻：量測相變材料、導熱膏與絕緣墊片在工作溫度範圍內的熱導率與等效熱阻。
- 相變區間與儲熱能力：透過溫度依賴曲線與比熱變化，評估相變範圍與可吸收的熱量。
- 長期穩定性：比較熱循環前後的熱物性變化，作為可靠度與壽命預估的依據。
該類資料有助於功率模組與散熱模組廠商在選料與堆疊設計上做出最佳配置，兼顧導熱效率與機械可靠度。
應用案例二：熱電材料與薄膜結構之熱電性能（Seebeck／電阻率／ZT）
熱電材料如矽鍺合金（SiGe）、碲化鉍（Bi2Te3）與常見合金（例如 Constantan）， 被廣泛用於溫度感測、熱電致冷與廢熱回收。透過熱電性質量測平台，可同時取得 Seebeck 係數、電導率與溫度依賴性，進一步估算材料的熱電優值 ZT。 搭配薄膜專用量測技術，亦可針對微電子或MEMS元件中的薄層結構進行評估。
量測與解析重點：
- Seebeck 係數：評估材料在不同溫度與摻雜條件下的熱電壓輸出能力。
- 電阻率與電導率：量測隨溫度變化的電輸運行為，分析載子濃度與遷移率趨勢。
- ZT 與材料比較：結合熱導率與比熱資料，估算 ZT 值並比較不同配方或製程條件。
這些量測結果可用於開發新一代熱電模組、溫度感測器與高穩定度參考材料， 亦適合學術研究中熱電物性的系統性研究。
應用案例三：半導體材料之 Hall 係數與電輸運特性（Hall / 電阻率）
在半導體與電子元件設計中，載子濃度、遷移率與型態（n 型／p 型）是決定電性表現的關鍵參數。 透過 Hall 量測系統，可在廣泛溫度範圍內取得 Hall 係數、電阻率與遷移率， 適用於塊材、薄膜以及各類無機半導體樣品。
量測與解析重點：
- Hall 係數與載子型態：判定樣品為 n 型或 p 型，並估算載子濃度。
- 遷移率與導電機制：結合電阻率與 Hall 資料，分析散射機制與溫度依賴行為。
- 材料與製程比較：比較不同摻雜條件、退火處理或薄膜製程（PVD／CVD 等）對電輸運特性的影響。
此類量測不僅是研發實驗室的基本工具，也常被用於製程監控與品質驗證， 例如外包晶圓或外購材料的電性檢驗。
半導體與電子產業常用熱分析與熱物性／電性量測技術一覽
- 差示掃描量熱（DSC）：評估封裝樹脂、黏著劑與塑膠件的玻璃轉移溫度、熔融與固化行為。
- 熱重分析（TGA）：量測分解溫度、無機填料含量與表面處理劑揮發行為。
- 熱機械分析／膨脹量測（TMA／DIL）：取得基板、封裝材料與黏著層的線膨脹係數（CTE），用於熱應力評估。
- 雷射閃射法（LFA）：量測基板、陶瓷與封裝材料的熱擴散率與熱導率，支援熱模擬與散熱設計。
- 暫態熱導率與熱流量測（THB、HFM、TIM 測試）：評估導熱膏、相變材料與絕緣墊片的熱導率與接觸熱阻。
- 熱電性質量測（Seebeck／電阻率／ZT）：用於熱電材料、感測材料與參考合金之熱電性能分析。
- Hall 與電輸運特性量測：取得 Hall 係數、載子濃度、遷移率與電阻率，支援半導體材料與薄膜開發。
我們可依晶片設計、封裝架構與散熱策略，協助規劃合適的量測技術組合與實驗條件， 並提供試測服務與技術說明，支援產品開發、製程優化與失效分析。
需要材料熱物性或電性評估方案嗎？
我們提供量測服務、技術諮詢與專案合作，協助您提升研發效率與產品可靠度。
郭文龍｜FST International｜Email: Allen.kuo@fstintl.com.tw