隨著電子產品輕薄短小的需求以及5G通訊、物聯網、電動車與綠能產業的興起，功率模組元件及高密度互連印刷電路板(HDI PCB)即是呼應上述需求而產生。本文將會針對市場趨勢及發展這兩部分，進行說明與討論，包括①先進HDI PCB用高深寬比連接填孔材料；②耐高溫高導熱功率模組用黏晶材料。
本文將從以下大綱，進行說明與討論。
‧前言
‧HDI中層與層間連接之填孔材料市場與技術發展
‧功率模組的黏晶材料
‧工研院現有技術成果
‧結論
【內文精選】
前言
市調機構Yole公司對於未來寬能隙的元件市場分析如圖二，以電壓分類的話，600 V以下為Low-Voltage應用、600~1,200 V為Medium-Voltage應用及1,700 V則是High-Voltage應用。在整體成本以及效能的評估下，600 V以下預期將會是GaN的市場，900 V以上則會是SiC的市場；600~900 V則會是兩者競爭的區間，而此區間也是現在應用發展最蓬勃的區塊。電動車所使用的Motor、Inverter以及其他車載元件、太陽能中的Inverter以及大型UPS系統皆為此電壓區間的應用。
HDI中層與層間連接之填孔材料市場與技術發展
在板材或載板上多層堆疊或者高佈線密度需求上，其結構包含許多通孔與盲孔設計，必須透過填孔材料將其填滿而達到散熱與連接之目的。目前所使用的填孔材料可分為樹脂塞孔與金屬填孔材料兩種。首先第一種為樹脂塞孔技術，如圖三所示，先經過鑽孔電鍍導通後，接著填充環氧樹脂塞孔，最後經烘烤與研磨等製程後，得到樹脂塞孔的填孔結構；第二種為金屬填孔材料技術，包括電鍍填孔(Electroplating)與填孔導電膠(Conductive Via Fill Paste)兩者，直接將塞孔與電性互連一步完成。
電鍍填孔製程顧名思義是將板材浸泡於含有銅離子電鍍液中，並通以電流將銅金屬沉積於孔洞中，達到填孔效果。電鍍填孔的優劣程度必須考慮到許多層面，如圖四所示，主要分成電鍍藥水配方和電鍍設備與製程兩大類，在電鍍填孔過程中，如何控制鍍液槽銅離子濃度與孔內銅金屬填滿狀態，均是影響整個元件或板材可靠度之因素。
圖四、影響電鍍填孔之因素
為了更進一步提升填孔導電膠材料之可靠性，會於膠材中添加奈米金屬改善電性與導熱性。如圖八所示，日本的Sumitomo廠商在FPC通孔結構的填孔設計上，為解決採用傳統電鍍方式會遇到兩側鍍膜太薄與膜厚不均一之問題，並符合Fine Pitch Pattern之需求，Sumitomo自行開發含有奈米銀粒子填孔膠材料。此材料相關可靠性驗證如圖九所示，其評估方式是將材料填入3,840個孔徑60 μm與孔深120 μm的通孔結構中，分別經熱衝擊測試（Heat Shock Test，-40˚C，15分鐘到125˚C，15分鐘）與高濕高熱測試（High Temperature and Humidity Test，85˚C/85% RH）後，整體板材電阻變化率能小於1%。
圖十、日本Tatsuta廠商利用導電膠填孔之流程圖
功率模組的黏晶材料
一般而言，功率半導體工作溫度大於200˚C，由於Power Device為了整合半導體晶片、放熱板、絕緣板等多層構造，因此層與層之間的接合成為未來發展的重要課題。對SiC而言，過往應用的接合材料無法忍受200˚C的高溫，為此，未來SiC Power Device需朝向低溫接合且高可靠度的材料來發展。此外，應用在車用環境中，還必須考量到負50˚C低溫啟動與耐高溫至200˚C條件，所造成250˚C溫差範圍(ΔT)之問題。因此在元件結構上，材料必須採用耐極大溫差與耐高溫的放熱設計。
工研院現有技術成果
工研院材化所構裝材料與應用研究室投入導體材料的開發已超過十五年。透過樹脂設計合成、金屬粉體合成、配方分散三大核心技術的整合，可依照不同應用需求而設計或開發不同用途之導電膠材料。透過自主的合成技術，可控制不同粒徑分布之奈米銀或奈米銅金屬粒子，並搭配自行設計的樹脂結構與合成技術，能進行分散性良好的奈米銀或奈米銅膠配方。目前研發的奈米銅膠在透過不同粒徑堆疊效果下，於250˚C (95% N2/5% H2)燒結環境，燒結後奈米銅膠表面狀態如圖十九所示，其比阻抗值低於10 μΩ·cm，與ITO的接觸電阻為0.103 mΩ·cm2，而導熱性≥83 W/K。因應未來高功率元件散熱需求…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：何首毅、楊逸琦、劉彥群／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」389期，更多資料請見下方附檔。