國立成功大學  研究發展處
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第三十一卷 第二期 - 2016年十二月二日
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成大材料系副教授林士剛論文躍登國際期刊 解開不解之謎-銀的奈米火山爆發現象
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【台南訊】
子元件追求微小化、高效能、與低耗能等特性,成功大學材料系副教授林士剛去年獲邀赴日本大阪大學客座,參與菅沼克昭教授團隊高功率半導體電子元件關鍵技術「銀/銀低溫低壓直接接合」研究。該團隊有技術基礎,但對接合原因感到困惑,林士剛副教授一眼看出實驗數據與理論間的疑點待釐清,重新計算與推論一舉解開謎團,原來是「銀在微小奈米尺度下發生類似火山爆發」現象所致。

過去認為的「銀/銀低溫低壓直接接合」機制與電子元件中常見不受控制的自生極細微金屬凸塊相同,金屬凸塊易造成電子系統短路等問題,曾導致衛星掉落,林士剛副教授協助該團隊做到世界上首次得以控制金屬凸塊生成。他們的研究可大幅提高半導體電子元件的性能,包括微小化、簡化製程、降低成本,高溫下維持效率,對未來高功率半導體電子構裝的發展將帶來革命性影響。

林士剛副教授與菅沼克昭教授的國際合作成果-「Nano-volcanic eruption of silver(銀的奈米火山爆發現象)」論文,10月登上Nature子期刊Scientific Reports,成大與日本大阪大學已共同申請日本、台灣等多國專利:日本已取得專利,台灣申請中,近期也將申請美國、中國大陸的專利。

林士剛副教授透露,菅沼克昭教授團隊「銀/銀低溫低壓直接接合技術」的相關製程,已應用在日本TOYOTA電動車的電力控制系統元件,整體效率提高外,電力控制箱的尺寸也減一半。成大與大阪大學在「銀/銀低溫低壓直接接合技術」的交流成果,將可技轉給國內廠商。

微小化與高效能是電子元件發展的兩大趨勢,立體疊堆晶片能有效縮小元件體積,而採用高功率半導體則能提高元件效能,兩大領域都仰賴金屬直接接合(例如:銀/銀)技術,因此近年產、學界紛紛投入研究。菅沼克昭教授團隊在「銀/銀低溫低壓直接接合」有一定的技術,不過,只是知其然,而不知其所以然。

林士剛副教授去年暑假參與團隊研究,發揮他「材料熱力學」專長,看一眼就發現實驗數據與理論之間有一些疑點待釐清,實驗數據不該與理論的數據存在數倍以上的差異,他以材料熱力學重新計算,提出新觀點—「銀在微小奈米(nano)尺度下發生類似火山爆發」現象,爆發的火山灰燼(銀原子)發揮膠水般的功能,將兩片銀黏住。而非原本認為的硬力擠壓,導致銀原子往表面擴散、累積,造成銀與銀直接接合。團隊依新推論重做實驗,數據與理論完全符合。

林士剛副教授指出,銀在微小奈米(nano)尺度下發生類似火山爆發現象,為「銀」與「氧」的化學反應,這現象也顛覆學界、工業界等長期以來認為銀/銀低溫低壓直接接合,其界面要極度乾淨、高真空狀態才容易產生鍵結的觀點。

為確定銀的火山爆發現象其接合強度的實驗過程中,林士剛副教授又觀察到,接合強度不夠,上端的銀脫落後,下端的銀表面竟然出現色差,呈現原本覆蓋其上的形狀,顯示表面微結構產生變化。遮蓋與否,似乎對金屬表面的微結構扮演不同的角色。

團隊設計了鏤空的NCKU(成大)與ISIR(日本大阪大學產業科學研究)字體遮罩,分別從常溫、真空環境下去了解金屬微結構變化以及可否控制微結構生成,結果都如預期般,做出想要的字體圖案,做到世界上首次可以控制金屬凸塊生成。

林士剛教授表示,業界、學界早可以在高溫(攝氏300度以上)、高壓下做金屬直接接合,但高溫高壓的接合,所需時間長、且常需要複雜前處理程序,脆性材料(如,半導體晶片等)也不適合高壓處理。低溫(攝氏250度以下)低壓直接接合的技術運用範圍廣,理論上還可以運用於異類材質(如,金屬/塑膠)接合。

銀/銀低溫低壓直接接合技術,是高功率電子元件重要關鍵技術,高功率電子元件又是航太科技、能源轉換以及電力驅動等諸多應用的關鍵元件,是綠能與電動車發展的重要技術。林士剛副教授與菅沼克昭教授團隊的研究成果,極具商業價值,發展性十足。


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