先進半導體構裝的幕後推手―新世代構裝材料技術
時間很快地來到了2024下半年，各家手機品牌，像是Apple、Google等紛紛推出新一代的高階手機。要支援越來越快的資訊處理速度與在手持式
裝置中加入AI的元素，無疑需要更快速的晶片支撐，9月上市的iPhone 16中搭載的A18晶片，已經使用台積電的3 nm製程。而要讓晶片能維持高速、持續穩定的運作，其中一個重要的幕後功臣即是高階的半導體封裝技術。在科技大爆發的現在，我們有幸以優異的半導體技術讓世界看見台灣，先進半導體構裝材料技術無疑是當前電子產業中至關重要的一環。隨著科技的迅速發展，對於材料特性和可靠性的要求都日益提升，本期的「新世代構裝材料技術」專題將與大家分享先進半導體構裝技術的幕後英雄—高性能構裝材料技術。
先進構裝技術是推動下世代晶片發展的關鍵，透過晶片堆疊增加訊號腳位密度並減少傳輸距離，以有效提升晶片性能，滿足超大規模資料中心日益增長的雲端運算需求。在AI與5G技術興起的引領下，網通設備、雲端伺服器、邊緣運算等應用市場的擴張，推動了相關晶片與構裝材料的需求。而材料的持續創新，成為支撐這些高階應用的重要元素，為構裝材料市場帶來了新的機遇。「AI高速運算應用之構裝材料市場與發展趨勢」從2.5D/3D等先進封裝技術出發，瞭解先進封裝中所需要的構裝材料技術；並從全球市場中對伺服器、高速運算設備與消費性電子產品等對晶片的需求、進一步探討未來高階構裝材料技術的市場趨勢。
因應新世代產品應用，具有高處理效率、小型、輕薄化的高功率元件產品需求持續增加，成為半導體市場主流。而高功率元件之高功率密度會於運行中產生大量熱量，使得晶片操作溫度提高至200˚C以上，因此熱管理技術成為一個關鍵性議題。為了應對這一挑戰，對於貼附晶片用之黏晶材料散熱性能有更高規格的技術要求，以確保元件正常運行及延長操作壽命。「構裝用黏晶材料技術發展趨勢」以半導體構裝中之黏晶材料為主軸，針對發展趨勢現況做介紹，同時詳細說明工研院材料與化工研究所目前所發展之研究成果。透過具有高導熱特性之燒結銀材料，以低溫(200˚C)、無壓燒結製程，開發出高導熱黏晶材料，協助促進國內相關產業發展，滿足未來市場資源需求。
隨著功率元件模組廣泛應用於各種電子產業，從小型電子設備到電動汽車和可再生能源系統，功率半導體逐漸由矽半導體朝向化合物半導體發展，以提升電力轉換效率。因此對於模組中封裝材料的特性需求也更為嚴苛，除了提供元件或模組足夠的支持和保護外，更需同時具備高可靠性的封裝材料整體解決方案，才能使模組維持最佳的效能。「功率模組用液態封裝材料技術」針對功率模組構裝元件所需的封裝材料技術，包含封裝材料製備、模組充填及模組可靠度測試進行探討，以幫助我國在功率元件/模組封裝領域之應用發展，並提升產業在國際市場之競爭力。
乾膜光阻是一種感光性材料，主要應用於印刷電路板與柔性電路板中；其為三層結構，包含基材層提供機械支撐，光敏層在紫外光照射下形成不溶於顯影液的固化結構，保護膜層則在儲存和處理過程中防止污染和損傷。從20世紀50年代起，乾膜光阻經歷了從濕膜光阻的雛形到現代高性能膜材的發展歷程。現今的乾膜光阻生產大多採用狹縫式塗佈技術來進行，具備高效率、高品質、環保等優勢，應用範圍則包括PCB製造、表面黏著技術、柔性電路板和扇出型堆疊封裝(FOWLP)等；特別是在FOWLP中，乾膜光阻因其低翹曲性和高可靠性被廣泛研究和應用。「構裝用厚膜光阻材料與塗佈成型技術」報導在構裝用厚膜乾膜光阻領域，工研院材化所針對材料與製程的挑戰開發了多項技術，如：樹脂設計、固含量調控、溶劑配比、唇口調整、流變物性量測和膜溫與溶劑乾燥預測技術等，解決了厚膜光阻生產上的各種問題。未來，乾膜光阻作為電子製造業不可或缺的核心材料，將在高密度互連和高性能需求下的應用領域中發揮關鍵作用，工研院亦將持續深化研究成果以推動電子技術的不斷進步。
「先進封裝與3D IC的未來：深入解析混合接合技術」一文指出，隨著電晶體微縮的進展，更高效能與更小尺寸的元件需求逐漸提升；此外，為了因應人工智慧等具高速運算需求之應用，在先進封裝技術中透過垂直堆疊達成的異質整合，能夠有效達成上述目標，因此在後摩爾時代中獲得重視。其中，混合接合技術因其在縮小接點間距和提高I/O密度方面展現出卓越性能，成功突破傳統封裝技術的限制，為電子產品及元件提供了更高的性能和更低的功耗，因此在三維積體電路中被視為前瞻性的技術。為了實現低溫的銅對銅接合，數種先進技術被開發並應用至銅導線的製程上。其中，鈍化層覆蓋於銅的新穎技術，已被成功驗證能展現優異的低溫銅對銅接合表現，因此在後續量產上具備相當的潛力，有望在低熱預算的製程中，達成優異的接合表現，進而提升封裝性能。
從廢棄到再生：揭開低碳紡織循環材料的技術革新
紡織品的生產供應鏈覆蓋範圍廣泛且複雜，從原材料的種植、加工，到紗線、布料的編織、染色、整理，再到產品的製造及分銷，各個環節都需消耗大量能源。儘管紡織品的應用範圍廣泛，包括室內裝飾、汽車內飾、地工紡織品、農業紡織品及衛生紡織品，但該行業的核心驅動力仍然是時尚，因為全球約60%的纖維生產都是為服裝而設計。近年來，合成纖維的使用呈現爆發式增長，聚酯纖維已經超越棉花成為最廣泛應用的時尚面料。然而，合成纖維的碳排放遠高於棉花，加上快時尚和產品生命週期縮短，消費後的紡織廢料大量增加，導致垃圾填埋場和焚燒量顯著上升。如果缺乏有效的回收和再利用策略，對環境的影響將進一步惡化，一旦被消費者丟棄，將對生態環境構成嚴重威脅。為了減少溫室氣體排放和緩解氣候變遷，時尚產業必須從目前的中度減碳路徑轉向更加積極的減碳策略。
隨著環境永續成為世界各國矚目的議題，紡織產業同時面臨碳排減量與減少石化資源消耗之雙重壓力，紡織品回收技術便是可同步解決上述棘手問題的關鍵解方，也成為各新創公司、品牌商以及紡織廠競相投入的新興領域。「紡織品回收技術發展與應用」針對紡織品回收技術發展與應用進行介紹說明，以瞭解紡織品回收再利用之技術發展方向與應用潛力。未來在紡織品物理回收技術上，會朝向材質採用範圍擴增、紗線性能強化與外觀設計多元化，以擴展紡織品物理回收紗線的可應用範圍；而在化學回收部分，除了對現有混紡材質分離技術，進一步優化製程參數與處理流程以降低回收成本利於商業化量產之外，多成分混紡紡織品化學回收與以生物合成酵素進行混紡紡織品化學回收，亦是未來拓展紡織品化學回收技術的研發方向。預期以紡織品回收原料再製紡織品，構成封閉循環生產鏈，實現Fiber to Fiber循環，是未來紡織品生產技術必然發展方向。
隨著人們對於環境永續發展日漸重視，紡織品是否符合環境永續發展精神，也逐漸成為品牌商與終端消費者關注的課題。其中，以回收原料再製纖維因兼顧環保與環境永續發展概念，成為近年來綠色循環纖維的技術發展主流方向。「聚酯紡織品脫色循環回收技術」針對使用量最大的聚酯紡織品脫色與循環技術進行介紹說明，以瞭解聚酯紡織品循環再利用的應用潛力與未來發展。而除了純聚酯紡織品之外，對於使用範圍更廣泛的混紡聚酯紡織品，例如：聚酯/棉混紡、聚酯/彈性纖維混紡織物，以及離子型染料染色聚酯織物(例如：陽離子可染聚酯紡織品)等，其進行回收再製高值化應用所需的紡織品脫色技術，將會是下一個紡織品脫色技術研發重點。
「CO2衍生聚酯纖維材料及應用」指出，以CO2為原料製備的聚碳酸酯二醇(PCDL)，除了具有低碳排優勢，還可以因應不同的需求，透過分子結構設計，開發出不同特性之PCDL。當與PET或PBT進行共聚合改質，藉由PCDL柔軟的特性，可以大幅提升PET或PBT的彈性回復率，同時染色水洗牢度可達3.5級，優於以聚醚為軟鏈段之聚酯彈性纖維。另外，運用PCDL具生物分解之特性，當PET與PCDL共聚合時，可藉由PCDL鏈段被微生物釋放的分解酶催化水解，而將PET鏈段切斷成寡聚物，進而被微生物分解，以此開發出生物可分解PET材料，具有生物分解後不會使土壤酸化之優點。
消費者對環境問題的意識日益增強，並積極尋求永續產品。由於對塑膠污染、氣候變遷和資源枯竭的擔憂，人們越來越青睞能替代傳統塑膠的環保產品。「低碳可染聚丙烯纖維發展趨勢」雖然聚丙烯本身並非來自可再生資源，但其優異的可回收性和潛在的低碳足跡，使其成為具有環保意識的消費者關注之焦點。消費者對永續包裝、紡織品、消費品和汽車零件的偏好，推動了歐洲對綠色聚丙烯的需求。低碳可染聚丙烯纖維的研發始於解決傳統聚丙烯纖維染色困難的問題，由於聚丙烯本身為非極性材料，難以與染料結合，限制了其在紡織業中的應用。通過改進聚丙烯的分子結構和添加特定的功能性單體，研究者們逐步突破了此一技術瓶頸，使聚丙烯纖維能夠有效染色，同時降低其生產和應用過程中的碳足跡。
主題專欄與其他
「高韌性陶瓷材料技術之現況與機會」報導，因應全球氣候危機，歐盟宣布將於2035年停止銷售新的燃油車，國際汽車大廠也逐漸跟進電動車的趨勢，提早布局電動車的戰場。隨著混合動力汽車和電動汽車的發展，高輸出功率模組的市場正迅速擴大，高效轉換和控制電力的功率器件是節能的關鍵技術。在功率模組中，絕緣基板是一種重要的材料，用於半導體器件的電路和散熱器之間充當電氣絕緣體。基板的可靠性通常與陶瓷材料的機械性能以及所使用的金屬有關。而在DBC基板中，陶瓷和銅的熱膨脹係數差異是熱循環測試中導致基板失效的根本原因。隨著循環次數的增加，陶瓷基板與導體層之間的黏接界面會形成裂紋或導體層發生剝離。因此需增加整個模組的熱循環壽命，其中一項關鍵因子在於提升陶瓷基板的韌性。工研院成功開發導入雙摻雜元素ZnO及MnO2之新技術，來改善ZTA因為相變化導致機械性能衰退之問題，未來將配合國內廠商進行技術轉移以應用在IGBT模組上，提升IGBT模組熱循環測試之耐久性。
「永續循環趨勢下碳纖複合材料的發展」一文著重探討低碳永續理念在全球複合材料的主要發展趨勢，聚焦於運用回收料源及發展熱塑性碳纖複材兩個層面。全球回收碳纖維的方法包括機械回收法、化學回收法以及熱回收法，其中使用微波輔助進行熱裂解回收碳纖維是一種相對高效且節能的方式。此外，開發易回收的熱塑性複合材料也是一重要方向，藉此以提高回收率、簡化製造過程，同時提供更環保的解決方案。文章也介紹了國際上一些在碳纖維回收領域的領先公司，這些公司致力於開發創新技術，有效處理碳纖維廢棄物，且與各產業合作，推動永續發展目標；這些努力使其在複合材料回收領域取得領先地位，並推進循環經濟的實踐。
高空通訊平台是非地面通訊網路中的重要技術，能夠提供廣泛覆蓋的無線通訊服務；但電力供應問題是高空通訊平台面臨的主要挑戰之一，隨著任務時間的延長，鋰電池電量不足的問題成為限制平台發展的瓶頸。「氫能燃料電池於高空通訊平台的應用」透過燃料電池整合自主移動飛船的實際測試，驗證燃料電池系統可成功支援飛船在不同飛行狀態下的電力需求，並且相比鋰電池供電的方法，燃料電池系統顯著延長了數倍飛行時間，充分展現燃料電池系統在高空載具應用上的巨大潛力。隨著燃料電池技術的發展與應用，其在高空通訊平台中扮演的角色將愈加重要，有機會成為未來高空平台電力供應的主流解決方案。
鈉電池因其高能量密度、低成本和豐富的原料儲量，近年被積極開發，而P2和O3層狀結構材料為正極研究的兩個重要方向。P2型材料具較快的鈉離子擴散速率與較高的工作電壓範圍，但其電壓降和缺鈉相需進行預鈉化處理，因此限制了應用發展。O3型材料雖具有較高的初始容量和穩定的電壓平台，但其鈉離子擴散速度相對較慢，且體積變化較大。為了改善層狀正極材料的循環壽命和倍率性能，許多研究探討摻雜不同金屬元素、表面修飾和奈米結構設計等改良方法。延續上期，「鈉電池層狀正極材料技術與發展現況(下)」繼續討論這些方法並整理目前的研究成果。
專文篇篇精彩，歡迎賞閱！凡對以上內容有興趣的讀者，歡迎參閱2024年10月號《工業材料》454期或參見「材料世界網」，並歡迎
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