Electronic Materials Lab

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      研究主題

電子元件封裝

 

熱電元件封裝

 

鋰離子電池

 

超級電容器

 

 

 

 

 

 

電子元件封裝

IC積體電路完成製作後,必須進行封裝並與其他電子元件組裝,形成具有特定功能之電子產品。藉由封裝除了對晶粒提供保護,也利用接線或接點來達到電能與訊號之傳遞。此第一層次構裝,傳統上以打線接合技術連結晶片與導線架。在高I/O數之晶片,以覆晶接合(flip chip)為現今高階產品之主流,其利用軟焊技術,以低熔點焊料經由迴焊使焊料熔融,再冷卻固化形成接點,其大小僅50~100μm,在單一晶片中,覆晶銲點可高達數百。同樣,電子元件組裝於印刷電路板上亦利用軟焊技術。電子封裝技術日新月異,目前以多晶片之3D-IC封裝為主要發展。

錫鉛共晶銲料是過去最被普遍使用的銲料。但考量鉛對於環境與健康之危害,歐盟與世界各國紛紛立法禁止鉛之使用,無鉛焊料的開發在近十年不遺餘力。目前已發展之無鉛銲料系統,如:Sn-Ag-Cu系統、Sn-Zn系統、Sn-Bi系統等。雖然無鉛銲料受到非常大的重視,並廣泛研究與探討,但是電子無鉛焊點仍存在許多問題,亟需解決。        

 

熱力學與相圖

熱力學與相圖之了解對於材料研究非常重要,無鉛銲料系統開發、銲料迴焊固化以及相關之界面穩定性之研究,相圖更是不可缺少。在研究過程中對於相圖資料之欠缺,為能深入進行研究,也同時進行相關熱力學平衡資料之建立。分析各系統之熱力學參數,透過合金熱平衡和金相分析,與晶體結構分析,建立完整之熱力學資訊。      

 

界面反應動力學

在一個電子產品中,其焊點數以萬計,焊點的良寙對電子產品之可靠度甚是關鍵,對於微小焊點之界面性質探討亦更形重要。因銲料為低熔點之金屬,銲料與連結基材之界面間會彼此擴散與反應,經常於界面處反應生成介金屬相,而造成接點強度弱化。 本實驗室探討無鉛焊點之界面,暸解界面反應生成相,其長動力學,銲料微量元素添加對界面之影響。以金屬材料之基礎,材料熱力學、擴散動力學、晶體結構學等,探討其中之反應機制。並且開發各種抑制介金屬相生成之方法 。    

 

電遷移效應

當電子產品使用時,由於電流通過晶粒所產生的焦耳熱效應,會造成晶粒溫度上升,加速界面反應。電流通過時,也會產生電遷移效應 (electromigration effect)而造成原子遷移,進而加速焊點之破壞。在覆晶焊點微小化下,通過之電流密度因而加大,電遷移作用的影響將更加嚴重。因此電遷移效應之探討也是目前研究之重點。本實驗室開發Ag、Pd等基材,能有效抑制Cu基材在電遷移作用快速消耗之問題。除電遷移效應外,同時亦探討電流所引發之派鐵爾效應。

 

表面處理技術

表面處理技術常用於電子封裝,如: ENIG、ENEPIG、Immersion Sn,ENIG即化鎳鍍金,Ni主要是作為Cu基材之擴散阻障材料,本實驗室開發電鍍鈷、無電鍍鈷合金等各式配方以作為前瞻之擴散阻障材料,相較於鎳,Co也更好的電遷移抵抗能力。Immersion Sn易引發錫鬚生成之問題,我們也針對其反應機制進行探討。

 

打線銲點

打線技術發展已相當成熟,也仍是目前IC封裝之主流製程。在過去線材大多以金線為主,且鮮有其他線材可茲取代。近年來 因金價飛漲,在成本的考 各封裝廠紛紛改採用銅線。另外,銅線也具備了如電阻較低、熱傳導係數較高、導線偏移抑制力較佳…等優點。然而銅線與金線的機械性質有極大差異,因此在製程技術上面臨許多挑戰,如銅線在形成FAB時,容易氧化、不易結球或所結球,製程上需加入保護氣體;且銅硬度較高,再加上加工硬化之影響,易造成鋁墊及底層晶片破壞。

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熱電元件

熱電材料是將內部載子流動將熱能與電能互相轉換,通電時可將熱流由冷端帶至熱端,即所謂的熱電致冷。熱電致冷器可作為散熱、小型冷凍器之用途。其逆反應則可進行熱電發電,將廢熱回收發電。熱電材料之特性與熱電模組發電性能在近年有很大提升,可將此技術導入工業廢熱與汽車廢熱回收之應用,以達到二氧化碳之排放減量。依工作溫度可分為 (1)低溫型熱電材料,以碲化鉍(Bi2Te3)合金為主,通常在170oC以下,大多應用於熱電致冷器。(2)中溫型熱電材料,以碲化鉛(PbTe)系統為代表,操作溫度在600oC以下,大多為熱電發電器之材料。為環保與成本考量,Zn4Sb3、CoSb3等無鉛之熱電材料系統也極具潛力。(3)高溫之熱電材料,操作溫度約在800~1000oC,以矽鍺合金為主,在高溫下仍具有優異之機械強度、高熔點及抗氧化能力。

熱電元件是將多組P-N熱電對規則排列,置於兩片氧化鋁陶瓷基板之間,利用銲料將Cu金屬電極與P-N熱電對連結,使其電性串聯,而熱傳並聯。目前熱電模組之封裝技術急待發展,尤其是中溫型、高溫型之熱電模組,研究著眼於熱電材料與銲料間之阻障層開發,及其相關系統之界面反應。

 

碲化鉍系統

 

 

 

 

 

 

 

 

鋰離子電池

鋰離子電池廣泛使用於消費性電子產品,其具有能量密度高、高電壓、儲存壽命長、低自放電率等優點,然而對於電池使用時間長短和安全也有相當嚴格的考量與要求,鋰離子二次電池發展目標朝向提高安全性、高電容量、降低電池成本、循環壽命長。另外,電動車為未來的發展趨勢是無庸置疑,而其中電池的性能更是其中的關鍵,在此一波電動車風潮的帶動下,更確立鋰電池在電動車的地位,也將鋰電池的發展推向另一高峰 。

鋰離子二次電池之正、負極結構均為層間化合物,鋰離子利用層間化合物在材料結構上的缺陷所造成之空洞,進行嵌入和嵌出的動作,在層間結構中進行電化學的氧化還原反應。鋰離子二次電池正、負極分別以鋰金屬化合物與碳材為主要之材料。充電時,電子藉由充電器外部電路進入負極的碳材,同時正極的鋰離子離開鋰金屬化合物,經過電解液而進入負極。一般而言,可將鋰正極材料分為四大類,分別為鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物、鋰錳氧化物、磷酸鋰鐵。

 

錫合金負極材料

現今商業化鋰離子電池使用石墨作為負極材料,石墨理論電容量372mAh/g,而在實際應用上,由於不可逆電容量之關係,一般應用之石墨電容量更低,為增加其電容量密度,通常進行石墨改質,但對於電容量之提升仍相當有限。因此對於新式負極材料之開發受到相當大的期待,本實驗目前開發高電容量之材料,以錫合金系統為主,目前研究系統有Sn-NiSn-Cu、Sn-Cu-Ni、Sn-Co等。

 

矽碳複合材料

矽之理論電容量高達3579mAh/g,約為石墨碳材之十倍之多,為目前最具潛力之負極材料。然而如同其他合金材料,在充放電過程中,其體積會劇烈縮放而造成結構破壞,進而導致循環性能快速衰退。為有效克服矽材料體積變化所造成之負面影響,並獲得較佳電容量存留率及循環性能。本實驗室將矽分散於碳材基質中,利用其高電導率及較低硬度,緩衝矽材料膨脹時所產生之應力,並有效維持矽材料與基板之電荷傳輸路徑。經改質後之矽碳複合材料,電容量達600mAh/g以上,遠高於石墨負極材料,且具良好循環性能。除矽材料外,本研究另以氧化矽及廢棄稻殼為矽源做為負極材料,亦有相當優異之成果。

 

三維極板結構與循環性

矽合金與錫合金系統作為新式負極材料均極具潛力,然而在充放電過程均面臨嚴重的膨脹問題,而導致電容量快速衰退,循環性能不佳。為克服此問題,本實驗室進行極板結構之立體化,以提供適當空間來緩衝膨脹,目前以電鍍多孔銅與利用AAO模板電鍍銅兩種方式來進行研究,多孔銅基可板大幅提昇CoSn3之循環特性,並使其電容量高達800mAh/g以上。同時探討負極材料在充放電過程中之膨脹行為與結構演變,深入了解其變化機構。

 

多孔矽製備

以多孔矽做為鋰離子電池負極材料緩衝活性材料於充放電時膨脹所產生之應力。不過其製程通常較繁雜且常需使用氫氟酸以移除二氧化矽,在成本及環境考量上皆難以量化生產。本實驗室以矽氧化物為前驅物,開發出一簡單、環保並效果顯著之多孔矽製備法。相較於前驅物粉體顆粒約2.5m2/g之比表面積,多孔矽之比表面積可提升至65m2/g。將其與碳材混摻製備為活性材料,亦有超過1000mAh/g之高電容量。

 

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 超級電容

超級電容器(Supercapacitor),即電化學電容器,是介於傳統電容器與二次電池之間的新式儲能元件,具有高功率輸出、高速率充放電、長循環壽命等特性;與傳統電容器相比,雖有較高的比電容量, 但蓄電能力不及鋰離子二次電池,因此提高能量密度將非常重要。依儲能機制可分成兩大類,(1) 電雙層電容 : 藉由電極表面正負電分離形成電雙層儲存電荷,目前商業化之超級電容器主要以高比表面積的活性碳作為電極材料。 (2) 擬電容 : 電極材料與電解液之間存在電雙層吸附,本身也可與電解液以快速氧化還原反應方式進行電荷的儲存,蓄電能力高於電雙層電容,通常為過渡金屬氧化物或氫氧化物(RuO2、MnO2、CoO、Co(OH)2、NiO、Ni(OH)2等 ) 與導電高分子。

 

氫氧化鈷(鎳)系統

過渡金屬氧化物或氫氧化物雖具有高電容量,但受限於氧化還原反應動力學性質,在高速率充放電的穩定性不佳。為解決此問題,將活性材料直接成長在三維結構的電荷集流體,能有效的縮短電子與離子的傳輸與擴散的路徑,增進電解液與材料之間的反應性與利用率。陰極沉積奈米片狀之氫氧化鈷於多孔極板上,電容量最高可達1050F/g,經過3000圈充放電循環測試,電容量維持穩定沒有衰退。使用以鎳為主的基材在測試過程中會產生額外的電容量貢獻 。

氫氧化鎳具有高理論比電容量,但因本身導電性較差,限制其在高功率輸出之穩定性。然而氫氧化鈷的導電性優於氫氧化鎳,且具有良好的擬電容特性及高電容量,將兩種材料結合,沉積鎳鈷氫氧化物於三維多孔電極,在電容量、高速率充放電的穩定性及循環壽命皆有大幅提升。使用三維多孔結構基材,以氧化鋅作為軟性模板,利用水解方式製備出氫氧化鈷/氧化鋅之複合材料。水熱法所製備出的氫氧化鈷/氧化鋅得到較高的比電容值。

 

氧化鋅模板

 

 

 

 

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