陶瓷粒子氣霧沉積技術與其應用：材料世界網

盧俊安、姜穎容、吳易真 / 工研院材化所

HPC、5G、AI和電動車技術的快速發展，推動積體電路(IC)封裝需求不斷攀升，IC封裝是關鍵技術，保護微小晶片並方便將其安裝在電路板上。現今IC封裝有多種方法，但隨著功能複雜化，接腳數目與設計要求更嚴苛，因此，持續改進和創新封裝技術是未來重要發展方向。隨著高速資料傳輸和運算需求不斷成長，電源完整性和訊號完整性相當重要，為應對這些需求，在系統封裝元件放置去耦電容器以消除電源電壓下降造成的雜訊，於設備運算速度增快和低電壓運作下，該功能愈顯重要。因此，高容量、低電感和縮短電容佈線距離的電容器成為必要。為達最大效益，去耦電容器最好直接放置在元件下方並內埋於封裝中，透過陶瓷粒子氣霧沉積法有望實現，同時降低成本。本文將回顧去耦合電容於封裝的應用與陶瓷粒子氣霧沉積法的進程，藉由陶瓷粒子氣霧沉積法引入，期望為HPC、5G、AI和電動車等領域提供更優質的IC封裝解決方案。

【內文精選】

陶瓷膜層成型技術

陶瓷膜層成型技術是一種在陶瓷材料表面形成薄膜的製程。這些薄膜可以具有特殊的性質和功能，如：耐磨、耐高溫、抗腐蝕、電絕緣等。陶瓷膜層成型技術在許多領域都有應用，包括電子、光學、能源、環保、生物醫學等。

陶瓷膜層於封裝應用

當電子元件朝小型化、多功能化方向發展，電子封裝技術已進入高密度封裝階段，同時發展出可取代表面元件封裝，以達到小型化、去元件化之載板封裝技術。內埋式電容技術利用載板在製作過程中導入高介質層，使電源層本身產生去耦效應，此方法不僅可大幅減少去耦電容之使用量，並且能縮短去耦電容與負載間之電路迴路，進而降低線路之串聯電感。相較於內埋SMD元件，高介質電容層具有高密度封裝、薄型化與高可靠度等優點，同時隨著介電質厚度持續減低，不僅可增加電容值同時也能降低封裝厚度，也更容易與載板進行整合。

陶瓷粒子氣霧沉積法原理

陶瓷粒子氣霧沉積法是一種室溫沉積噴塗工藝技術，其基礎是通過專門設計的噴嘴將次微米顆粒氣流化，加速撞擊至基材，藉由粒子撞擊基板的過程，部分的動能被轉換成熱能，導致溫度升高使粒子結合，固結成奈米顆粒塗層。這種方法可以在室溫環境下形成具厚度、緻密、均勻的多晶陶瓷薄膜和金屬薄層，而且不需要傳統高溫陶瓷加工方法常見的製程添加劑，例如黏結劑或增塑劑等，因此適用於大規模生產。陶瓷粒子氣霧沉積法廣泛應用於表面塗層、傳感器器件、燃料電池、光學元件等領域，可取代陶瓷漿料塗佈、電極印刷、燒結等傳統製程，進而替代傳統陶瓷被動元件的製造方法。整個製程是於常溫下進行的真空成膜製程，透過材料配方和粉體處理，無需大量使用溶劑和樹脂，省去了燒除和燒結製程所需的能耗和時間，成為目前國際發展積層陶瓷元件的主要技術之一。然而，其粉體前處理以及尺寸、形貌均勻性皆是影響成膜品質的關鍵要素。

圖四、陶瓷粒子氣霧沉積法之(a)裝置示意圖；(b)設備

近年來，工研院材料與化工研究所也十分關注陶瓷粒子氣霧沉積技術。對於傳統陶瓷被動元件於封裝載板內嵌元件技術方面，相對於以往SMD封裝方式，AD技術對於去耦電容應用將是一大躍進。材化所也利用AD粒子沉積技術嘗試塗佈不同陶瓷氧化物於不同基材，確實可以得到緻密均勻的陶瓷膜層。

圖五是控制載流氣體不同流量所得到之不同厚度的氧化鋁薄膜沉積於玻璃基板，也觀察到載流氣體參數除了可以改變膜層厚度外，可能也會影響表面粗糙度。

圖五、AD沉積氧化鋁薄膜於玻璃基板

另外針對前面提到的可封裝內埋之薄層電容材料，我們也嘗試噴塗高介電電容材料—鈦酸鋇粉體於不鏽鋼金屬基板，如圖六所示，適當參數控制下可以得到厚度約2 μm緻密鈦酸鋇薄膜，與基板附著力極佳。同時以XRD分析噴塗沉積前後材料之間的差異，由於晶粒在撞擊沉積過程中尺寸減小，所以結晶強度較原始粉體小，但沉積後的結晶相依然維持一致 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。