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脈衝-反脈衝之高速電鍍技術開發與應用
分類:國科會工程處產學計畫成果專文
發行期別:
發佈日期:2021-06-27
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科技部工程司109年度產學計畫優良成果|民生化材領域

 

脈衝-反脈衝之高速電鍍技術開發與應用

計畫基本資料

編號:MOST 108-2622-E-155-004-CC3

執行單位:元智大學化學工程與材料科學學系(所)

主持人:何政恩

參與人員:張智皓、李承宇、蔣瑛芷

合作企業:先豐通訊股份有限公司(臻鼎集團)

 

文/圖:計畫團隊   編輯:張萬珍

 

先豐通訊(臻鼎集團)胡毓隆副理(左)、何政恩教授(中)、與張智皓同學(右)於109年度科技部工程司產學合作計畫成果發表會場外合影

 

 

近年來,隨著物聯網、車聯網、人工智慧、及第五代(5G)行動通訊等技術的發展,電子產品的訊號傳遞行為與以往相比,已大幅改觀。除了原本單一裝置內各元件間的訊號傳遞之外,還橫跨了裝置與裝置間的訊號通訊行為。

 

這種多功能及異質整合的訊號傳輸需求,使得各類電子產品均以導線細微化來增加佈線密度,並將訊號傳輸高頻化來增加數據的傳輸頻寬。然而,當電子產品內的線路及元件密度提高時,高電流/高功率及高頻訊號將帶來「熱」的問題,尤其是在高頻傳輸的過程中,高功率元件及訊號傳輸損耗都將會轉換成熱能,導致熱雜訊的產生,影響訊號傳輸的品質。何政恩教授指出,有鑑於此,未來5G高頻傳輸必需克服高功率元件散熱的難題!

 

何教授研究團隊與先豐通訊(BoardTek Electronics Corp.)因此進行科技部工程司產學合作研究計畫。此項計畫將協助先豐開發航太工業及5G高頻通訊產業所需之內埋式散熱元件,以期建立優質化的高階印刷電路板。

 

計畫團隊採用高速電鍍方法,沉積內埋式散熱元件於印刷電路板中,為當前技術創新的施作方式。研究透過交流電鍍:脈衝-脈衝法(pulse-pulse, PP)、間歇式脈衝法(pulse)、脈衝-反脈衝法(pulse-reverse, PR)等三種方法,以取代過去常見的直流電鍍法(direct current, DC),藉此改善銅離子及有機添加劑在高電流密度電鍍下供應不足的問題。

 

有限元素分析(finite element analysis)模擬銅離子分佈情形:(a–a)脈衝-脈衝;(b–b)間歇式脈衝;(c–c)脈衝-反脈衝。插圖為紅框處之局部放大

 

 

根據法拉第定律,研究團隊逐步提高脈衝-反脈衝之電流密度來縮短電鍍所需時間。由於提高電流密度容易造成電鍍銅表面結構不平整的問題,因此必須再重新審視電鍍液之銅離子及有機添加劑的供應問題。藉由有限元素分析模擬,可探討影響高速電鍍銅的重要因子,加速並優化高速電鍍銅的品質。

 

研究團隊發現電鍍波形、電流密度、及流場是決定高速電鍍銅品質的重要因子,在提升電流密度時,須搭配調整噴流流速,來即時補充孔內銅離子及有機添加劑以改善電鍍銅表面結構不平整的問題。

 

何政恩教授與研究團隊秉持嚴謹態度,務使此產學合作計畫能發揮最大效益,並致力於訓練我國電子工業所需的高級科技人才。參與計畫的同學及廠商派員均學到微電子工業中重要的基礎理論知識及其實際應用,也從過程中熟悉各種貴重儀器的操作,培養電腦模擬的技能如:3D X-ray CT、SEM、EBSD、FIB、TEM、XRD、SIMS、nanoindenter、及多重物理耦合之有限元素分析軟體等。

 

自2019年6月計畫開始執行之後,何教授帶領實驗室團隊參與國內外學術研討會,發表研究成果,表現優異,例如:張智皓同學參加材料年度盛會-2020中國材料年會,於52名參賽者中脫穎而出,榮獲2020中國材料年會-電子(介電、積體、封裝)材料組論文「優等」。張同學也在2019中國鑛冶工程學會中的122名參賽者中脫穎而出,榮獲「鑛冶論文佳作獎」的肯定。

 

在2019 IMPACT國際研討會上,吳映璇同學的論文榮獲「2019 PCB Student Best Paper Award (Gold Prize-1st Place)」,周韋伶同學則榮獲「2019 PCB Student Best Paper Award (Silver Prize-2nd Place)」與「2019 IMPACT-Best Student Paper Award (PCB Field)」,李承宇同學則榮獲「2019 PCB Student Best Paper Award (Merit Prize-Top Five)」與「2019 IMPACT-Best Student Paper Award (PCB Field)」等5項論文獎殊榮。

 

何政恩教授傑出的研究與領導能力做出實績,各界有目共睹。他在計畫執行期間當選第18屆「有庠傑出教授」,並榮獲109年度科技部產學成果「特優獎」,其研究突破(Real-time Observation of Sn Electromigration)更榮登「NSRRC Activity Report 2019」封面(ISSN: 1814-7879)。

 

計畫團隊的學術表現亮眼,於國際期刊Surface and Coatings Technology (IF:3.784; N/M:14.3%)及Journal of The Electrochemical Society (IF:3.721;N/M:23.8%)發表3篇有關銅結構改質及表面處理的論文,並研發出(101)奈米雙晶銅結構(Nanotwinned Cu Structure)及順利開發出低溫粗化電鍍銅技術,期待改善銅導線之機械特性,此成果已提出多項中華民國及美國發明專利之申請。

 

何教授指出,本計畫成果預計可提供臺灣航太工業及5G高頻通訊產業關於如何有效率製造出高可靠度及高散熱效率的電鍍銅塊之方法。在學理上,這項計畫建立不同脈衝-反脈衝電流密度、正逆電流通電時間比、及流場對內埋元件(銅塊)的影響,並深入探討其晶體微結構對電鍍銅之機械可靠度及散熱特性的作用。同時也透過有限元素分析模擬,結合流體力學及電化學之物理場模擬出高速電鍍過程中,電鍍液的流動行為及離子(例如:銅離子)之分佈情形,相關的知識將可增進對於脈衝-反脈衝之高速電鍍法及晶體學的認識。

 

先豐通訊(臻鼎集團)胡毓隆副理表示,這項產學合作研究計畫建立了高速電鍍的內埋(embedding)技術,在使用脈衝-反脈衝進行高速電鍍時,其反向電流可優先解離原受到電流集聚效應影響的凹槽邊緣及轉角處的銅,因此,脈衝-反脈衝電鍍方法可大幅改善凹槽結構內的銅離子供應不足的問題,增進凹槽結構的膜厚均勻性,極有利於內埋技術的應用。這項研究成果有助於大幅提升先豐通訊的高速電鍍品質,公司評估這項技術的開發成功預計可提升高速電鍍30–40%的生產效益。

 

內埋銅塊金相及表面3D輪廓影像:(a–a’’)脈衝-脈衝(PP);(b–b’’)間歇式脈衝(Pulse);(c–c’’)脈衝-反脈衝(PR)。樣品紅框處為表面3D輪廓量測區域