顏吟赬、吳美倫、陳怡真、高豐生、楊長庭 / 工研院材化所
高頻通訊、低軌衛星、車用雷達與先進電子構裝快速發展，使低介電、低損耗與高可靠度材料成為台灣電子材料產業自主開發的重要關鍵。高頻材料的性能與可靠度不僅取決於巨觀規格或最終電性結果，更受到微尺度缺陷、界面狀態、材料分布與微結構複雜度影響。傳統規格檢測與可靠度測試雖可判斷產品是否符合要求，卻不易在研發初期掌握失效根因與製程調整方向。本文以兩項材料驗證平台為例，說明影像檢測技術於高頻低損耗材料開發中的應用價值。樹脂與基板匹配性驗證平台透過大面積光學影像、缺陷定位與電子顯微鏡分析，協助辨識玻纖布潤濕不均、樹脂含浸不良與內層缺陷；低介電低溫共燒陶瓷微結構量化與製程驗證平台則導入相別辨識與分形分析，將多相陶瓷微結構轉化為可比較之量化參數，進一步鏈結燒結條件與介電損失變化。此類影像檢測平台可將材料驗證由後段結果判定前移至前段風險篩選與製程優化，對提升高頻低損耗材料自主開發能力具有重要意義。
【內文精選】
低介電LTCC微結構量化與製程驗證平台
LTCC常應用於高頻模組、天線封裝、濾波器與通訊元件，其內部通常包含結晶玻璃相、低損耗填料、修飾相與孔隙等多種組成。當燒結溫度、持溫條件或材料配方改變時，可能造成玻璃相流動、晶粒聚集、修飾相重新分布或孔隙結構演化，進而影響介電損失與材料可靠度。因此LTCC材料驗證的重點不僅在於最終介電常數與介電損失是否符合規格，更在於能否理解製程條件如何改變微結構，並進一步影響高頻特性。
傳統上，研究人員多透過電子顯微鏡影像觀察LTCC的晶粒形貌、相分布與緻密化狀態，並以「較緻密」、「分布較均勻」、「晶粒較集中」或「孔隙較少」等方式描述微結構差異。然而，這類判讀高度仰賴觀察者經驗，雖可提供初步趨勢，卻難以作為不同批次、不同製程條件或不同材料系統之間的客觀比較依據。尤其LTCC為多相複合材料，各相的形狀、輪廓、分布與連通狀態皆可能影響介電特性；若僅依賴目視判斷或平均面積比例，往往不足以完整描述微結構的複雜度與分布影響力。
基於此需求，工研院建立低介電LTCC微結構量化與製程驗證平台，將分形分析導入電子顯微鏡影像判讀流程，使傳統偏主觀的影像觀察轉化為可量化、可比較的數據分析。分形分析的核心概念，是利用不同尺度觀察材料形貌對空間的占用特徵，將晶粒輪廓、相分布、聚集程度與空間複雜度轉換為分形值。當材料相的輪廓越複雜、分布範圍越廣，或在影像中的空間占用越明顯時，其分形值便會提高。因此，分形值可作為描述多相材料形貌複雜度與空間分布的指標，補足傳統SEM影像定性判讀的不足。
圖二 LTCC樣品於不同燒結溫度下之顯微結構與相別二值化影像
圖三 LTCC不同組成相之分形值與介電損失關聯
在LTCC應用案例中，如圖二，團隊首先取得高品質電子顯微鏡影像，並以元素分析確認不同灰階與形貌所對應的材料相，包括鈣鋁硼結晶玻璃、氧化鋁填料與磷酸鑭修飾相。接著，將各組成相由原始影像中拆分出來，轉換為二值化影像，再以盒維數法進行分形值計算。分析結果顯示，隨燒結溫度增加，鈣鋁硼結晶玻璃之總面積與整體分形值提高，代表其在觀察區域中的占比與空間連續性增加。相對地，磷酸鑭修飾相之總面積與整體分形值下降，顯示其分布影響力降低；氧化鋁填料則變化較小，代表其在此製程條件下相對穩定。
進一步與介電損失對照可發現，如圖三 ---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。