固態異質界面的現象及理論：電子構裝與全固態鋰電池(上)：材料世界網

林哲安、楊智涵、林士剛 / 成功大學材料系

一、前言

在材料的發展和應用上，我們經常需要結合性質迥異的數種材料來達到期望的性質。其中，在電子構裝及全固態電池中的金屬/金屬及金屬/陶瓷界面對於材料應用的表現有非常關鍵的影響，因此本文將以電子構裝與全固態電池為例來討論固態異質界面的現象及理論。

(一) 金屬/金屬界面

1. 電子構裝

銲料接合法是將銲料加熱到熔點以上與兩邊連接材進行反應，形成接點的接合方式。軟焊(Soldering)是指溫度低於400˚C的接合，常見的銲料以錫(Sn)基為材料，如：Sn-鉛(Pb)、Sn-銀(Ag)-銅(Cu)、Sn-鋅(Zn)、Sn-Ag-鈦(Ti)、Sn-鉍(Bi)系統等。印刷電路板中，主要將銲料用於Cu對Cu的接合，其界面會生成脆性的Sn-Cu界金屬化合物(Intermetallic Compound; IMC)，且易有Kirkendall孔洞產生。一般在3D IC (Three-dimensional Integrated Circuit) 構裝中的焊點直徑非常小(≦25 μm)，界面的脆性化合物體積比會隨著焊點縮小而增加，甚至整個接點都形成脆性化合物，導致接點機械性質不佳。在散熱基板中，主要將銲料用於Cu對Cu、Cu對鋁(Al)、Al對Al的接合。Al為極易氧化的金屬，對於大部分材料潤濕性極差，需要在製程加入超音波震動，或是在銲料中添加活性金屬，如：Ti、Zn等，才能提高潤濕並在界面形成IMC完成接合。界面的孔洞率、IMC厚度、IMC種類等因素均會影響散熱元件的品質。

(二) 金屬/陶瓷界面

1. 功率模組

硬焊(Brazing)一般溫度高於450˚C，常見的銲料為Ag-Cu或是Cu基材料，在功率元件中的應用為Cu對氮化矽(Si₃N₄)接合，在傳統工藝中要將金屬與陶瓷接合實屬困難，藉由高真空(10^-5 Torr)以及活性金屬Ti、Zn、鋯(Zr)等元素添加，可以在Si₃N₄界面形成連續的化合物。界面的孔洞率需低於一定標準，否則在高功率的嚴刻使用環境下會直接影響元件表現。

2. 全固態電池

鋰電池中，鋰金屬或鋰合金負極有極高的能量密度。不像傳統鋰電池，在液態電解質系統中使用鋰金屬作為負極材料時，容易有鋰枝晶生成的問題，在全固態電池的系統中，由於鋰枝晶較不易生成，鋰金屬負極的應用有更多的可能性。固態電解質一般可以分為高分子類和陶瓷類，陶瓷類電解質與鋰金屬之間的接合即是全固態電池發展中非常重要的課題。在陶瓷電解質系統中，Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO)由於其低電位的電化學穩定性佳，能夠直接使用鋰金屬做為負極材料，因此在全固態電池中，金屬/陶瓷接合對於電池的能量密度和循環表現有非常大的影響。

二、界面反應與相圖

熱力學與相圖在材料科學的研究是非常常見且重要的工具。熱力學使我們能夠去預測各種元素及化合物反應達到終點(平衡態)時的產物，進而藉由計算配合實驗，製作出材料在不同外加條件下表現出的相圖。在界面反應的研究中，我們能夠利用熱力學和相圖去預測界面反應是否會發生及反應後的產物，並且，進一步去設計符合需求的界面反應。而動力學則是能夠讓我們理解反應路徑及反應隨時間的變化。藉由動力學的預測，我們能夠控制界面反應的程度及生成介穩態(Metastable)或穩定態(Stable)的生成物。

(一) 區域平衡(Local Equilibrium)與擴散路徑

將熱力學平衡相圖應用於界面反應的擴散研究，假設在每個擴散區域內達到局部平衡(Local Equilibrium)，意思是各物質的化學勢(Chemical Potential)在各反應層間呈現連續的變化，而在同一反應層的兩側皆為相同值。在三元系統中，可以藉由三元等溫橫截面相圖配合擴散路徑，來圖像化界面反應的微結構。圖一(a)為以PANDAT熱力學軟體使用商用Panoble熱力學資料庫計算出來的150˚C Ag-銻(Antimony, Sb)-Sn等溫橫截面圖，擴散路徑為反應的平均成分變化軌跡，如圖一(a)中紅色實線，此為虛構的---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。