趙晨鈞、鄭志龍 / 工研院材化所
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的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。本文將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。
【內文精選】
黏晶材料
1. 技術介紹
隨著高功率元件的發展，常見功率元件堆疊示意及簡化的功率模組製程流程圖，分別如圖三所示。於電子構裝技術中，其元件操作在高溫環境下，對於電路導通及訊號傳遞不能有任何耗損及惡化，其中以內部連接焊點(Wire Bonding)材料、黏晶(Die Attach)材料、基板貼合(Substrate Attach)材料等，為最容易發生劣化的部分。
圖三、常見功率元件堆疊示意圖
黏晶材料(又稱Die Bonding Material)於電子構裝中扮演著重要的角色，其主要用途為將晶片黏貼固定於基板上，並提供晶片散熱路徑以增加晶片可靠度。目前此種材料主要由具有高導熱特性的焊錫(Solder)材料、燒結銀(Silver Sintering)或燒結銅(Copper Sintering)所組成，這些材料的選擇會直接影響到晶片的性能及壽命，其影響因素包含黏晶材料本身的材質、厚度、導熱係數(Thermal Conductivity)，以及晶片與晶片接合材料、構裝材料(Packaging Material)三者間的界面熱阻。而在挑選合適之黏晶材料時，需考慮包含黏合方式、模具和基板材料類型、尺寸及固化、回流焊接方法等，因此，選擇黏晶材料時，需要根據具體的應用需求和條件來進行評估。
3. 材料選擇
(1) 焊錫材料
傳統較常使用具有高熔點特性的含鉛焊錫材料作為黏晶材料，通常由鉛、錫、銀合金所排列組成，以良好的導熱、導電性能，滿足功率元件的高溫需求。然而，由於2006年歐盟頒布危害性物質限制指令(ROHS)，限制了鉛金屬的使用，主流的銲錫材料逐漸無鉛化，從傳統的錫鉛(Sn63/Pb37)合金焊錫材料(合金熔點約為183˚C，製程回焊溫度約為220˚C)轉變成錫銀銅(Sn/Ag/Cu)合金材料(合金熔點約為221˚C，製程回焊溫度約為260˚C)。
(4) 燒結銅
燒結銀材料雖然具有良好的導熱率及機械強度，但其材料的高成本、可靠度較差等問題，可能會影響在業界的使用意願及普及性。此外，燒結銀材料的碳排放量也相對較大，約為燒結銅的17倍，這對於現今追求減碳的社會來說，是一個不容忽視的挑戰。而相對於燒結銀，燒結銅材料的成本較低，且同樣具有良好的導電和導熱特性，也能承受高工作溫度，因此逐漸受到業界的青睞。
工研院材化所黏晶材料開發現況
工研院材料與化工研究所軟板與機能材料研究室投入導體導熱材料開發已持續多年， 透過導熱環氧樹脂配方的合成與結構設計、奈米金屬粉體合成(銀、銅)、粉體粒徑集配技術、配方混合分散等核心技術的整合，依照不同領域應用需求，成功開發出多款導電膠材料配方。
針對黏晶材料技術，工研院材化所選用燒結銀作為材料，添加微量具有接著能力且可與奈米銀粒子產生配位關係的環氧樹脂配方，並加入助劑、硬化劑等使其具有硬化效果。在粉體方面，工研院材化所自行合成奈米銀粉體，並搭配改質處理後之奈米銀粉體，經過粒徑集配堆疊技術，將環氧樹脂配方與粉體經三滾筒均勻混合後，塗佈硬化成膜，最終可得黏晶材料配方，其流程圖如圖十九所示。
圖十九、工研院材化所開發黏晶材料配方製程流程圖
最終，透過環氧樹脂合成與結構設計，結合奈米銀粒子合成技術及粉體粒徑集配技術，目前工研院材化所已成功開發出兩款適用於不同應用之黏晶材料配方。一款為高儲存模數(High Storage Modulus)配方，主要應用於高功率及車載用途；另一款則為低儲存模數(Low Storage Modulus)配方，主要針對消費型電子產品所開發。目前市售競品多採用全燒結銀配方，透過超高比例銀粉混合助劑，以高溫、有壓製程形成低孔隙率、高緻密度配方，從而獲得高導熱性 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》454期，更多資料請見下方附檔。