曾咨錡、陳振昌、嚴達祥、洪曉雯 / 工研院綠能所
隨著人工智慧（AI）與高效能運算（HPC）的快速發展，高功率晶片所產生之高熱通量使散熱技術成為影響系統效能與可靠度的重要因素，並促使高效散熱技術受到廣泛關注。工研院材化所利用電漿輔助化學氣相沉積（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD）技術，於聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate; PET）基板上沉積非晶氮化矽（SiNx）薄膜，並探討不同厚度聚一氯對二甲苯（Parylene-C）對水氣通過率（Water Vapor Transmission Rate; WVTR）之影響。結果顯示，當Parylene-C厚度由2 μm增加至11 μm時，WVTR 由4.2 × 10-2降至3.6 × 10-3 g / m2 / day。進一步採用SiNx / Parylene-C / SiNx三明治結構，可使WVTR低於10-5 g / m2 / day，超越MOCON儀器之量測極限。此複合阻隔膜具備優異之水氣阻隔能力，可望應用於浸沒式冷卻電子元件封裝。
【內文精選】
近年來人工智慧、高效能運算（High Performance Computing; HPC）及大型語言模型（Large Language Models; LLMs）的快速發展，使高功率晶片之熱設計功率（Thermal Design Power; TDP）持續提高，傳統氣冷散熱方式逐漸面臨瓶頸浸沒式冷卻技術係將伺服業器直接浸入不導電之冷卻液中，以達到高效移除熱能的目的。由於其具備優異的熱交換效率與顯著的節能效果因此浸沒式冷卻技術受到廣泛關注。依據冷卻液的相變特性，浸沒式冷卻可分為單相與雙相兩種類型。雙相浸沒式冷卻係利用冷卻液於相變過程中吸收大量潛熱以帶走熱能；相較之下，單相浸沒式冷卻則仰賴冷卻液之高比熱容，透過液體循環直接進行熱量傳遞與移除。
沉浸式複合式冷卻薄膜技術之實驗方法
本實驗設備採用PECVD前驅物氣體分別使用SiH4、NH3與N2，經電漿活化後產生大量的自由基分子，這些活性物種於基板表面發生吸附、擴散與反應，形成Si–NHx中間物種，並經由脫氫反應釋放NH3、H2等揮發性副產物，最終生成具有較低Si–H鍵結含量及較高N / Si Ratio的SiNx薄膜。PECVD沉積過程涉及多種自由基吸附、表面反應及脫氫機制，其整體反應無法以單一化學反應式表示。
影響非晶氮化矽薄膜的製程參數主要聚焦在NH3 / SiH4 Ratio以及RF功率，高RF功率促進分解前驅物氣體，增進薄膜的均勻性，而增加NH3與N2則提升薄膜的N / SiRatio，減少Si-H帶來的應力問題。由於基板使用PET，載台溫度上限為80˚C，會造成表面原子移動率不足，使薄膜密度下降。為了讓薄膜性質接近Si3N4，以達到最佳水氣通過率（Water Vapor Trausmission Rate; WVTR）值，需調控氣體流量與電漿功率來彌補先天的限制。因此，本研究透過調整NH3 / SiH4流量比控制薄膜組成，以接近理想之N / Si比例。
表一 SiNx 1 μm參數
本次SiNx 1 μm鍍膜參數先行比較兩種（如表一所示），一組是廠商調機給的（DOE1），另一組則是後續進行膜厚校正調出來的（DOE2），兩者成品厚度皆為1μm，電漿頻率為13.56 MHz，用以比較皆何者參數WVTR值最好，並使用其參數接續完成多層膜的設計。考量本研究之膜層主要作為保護層與水氣阻隔層，因此選擇以1 μm厚度作為設計基準，其厚度遠高於現今半導體元件常用之奈米級鈍化層，以提升實際應用之可靠性。
本研究成功建立適用於PET基板之80˚C低溫PECVD SiNx製程，並加入有機層Parylene-C優化水氣通過率，驗證了有機 / 無機複合阻隔膜可有效提升水氣阻隔能力。其中，以SiNx / Parylene-C / SiNx三明治結構表現最佳，其WVTR低於MOCON量測極限（10-5 g / m2 / day），展現優異之防護性能，提供直接水浸沒電子封裝的可行阻隔策略。
未來將進一步導入實際電子元件封裝，並針對複合薄膜所導致之熱阻增加進行深入探討，評估其於水浸式冷卻系統中的長期可靠度及散熱效能。由於SiNx與Parylene-C之熱導率分別約為20~30 W / m·K與0.08~0.12W / m·K，兩者存在顯著差異，後續研究亦將系統性探討複合薄膜厚度對晶片熱阻、接面溫度（Junction Temperature）及浸沒式冷卻效率之影響，以建立防護性能與散熱效能間之最佳化設計準則 ---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》478期，更多資料請見下方附檔。