銀的「奈米火山」爆發現象 林士剛協助大阪大學團隊解謎
▲成功大學材料系副教授林士剛，參與菅沼克昭教授團隊高功率半導體電子元件關鍵技術「銀／銀低溫低壓直接接合」研究，解開「銀在微小奈米尺度下發生類似火山爆發」現象。（圖／成大提供）
成功大學材料系副教授林士剛，獲邀赴日本大阪大學客座，參與菅沼克昭教授團隊高功率半導體電子元件關鍵技術「銀／銀低溫低壓直接接合」研究，對發現該團隊技術基礎之實驗數據與理論間有疑點待釐清，經重新計算與推論一舉解開謎團，原來是「銀在微小奈米尺度下發生類似火山爆發」現象所致。過去認爲的「銀／銀低溫低壓直接接合」機制，與電子元件中常見不受控制的自生極細微金屬凸塊相同，金屬凸塊易造成電子系統短路等問題，曾導致衛星掉落，林士剛副教授協助該團隊做到世界上首次得以控制金屬凸塊生成，他們的研究可大幅提高半導體電子元件的性能，包括微小化、簡化製程、降低成本，高溫下維持效率，對未來高功率半導體電子構裝的發展將帶來革命性影響。林士剛副教授與菅沼克昭教授的國際合作成果-「Nano-volcanic eruption of silver(銀的奈米火山爆發現象)」論文，10月登上Nature子期刊Scientific Reports，成大與日本大阪大學已共同申請日本、臺灣等多國專利：日本已取得專利，臺灣申請中，近期也將申請美國、中國大陸的專利。林士剛副教授透露，菅沼克昭教授團隊「銀/銀低溫低壓直接接合技術」的相關製程，已應用在日本TOYOTA電動車的電力控制系統元件，整體效率提高外，電力控制箱的尺寸也減一半。成大與大阪大學在「銀/銀低溫低壓直接接合技術」的交流成果，將可技轉給國內廠商。微小化與高效能是電子元件發展的兩大趨勢，立體疊堆晶片能有效縮小元件體積，而採用高功率半導體則能提高元件效能，兩大領域都仰賴金屬直接接合（例如銀／銀）技術，因此近年產、學界紛紛投入研究。菅沼克昭教授團隊在「銀／銀低溫低壓直接接合」有一定的技術，不過，只是知其然，而不知其所以然。林士剛副教授去年暑假參與團隊研究，發揮他「材料熱力學」專長，看一眼就發現實驗數據與理論之間有一些疑點待釐清，實驗數據不該與理論的數據存在數倍以上的差異，他以材料熱力學重新計算，提出新觀點─「銀在微小奈米(nano)尺度下發生類似火山爆發」現象，爆發的火山灰燼（銀原子）發揮膠水般的功能，將兩片銀黏住。而非原本認爲的硬力擠壓，導致銀原子往表面擴散、累積，造成銀與銀直接接合。團隊依新推論重做實驗，數據與理論完全符合。林士剛副教授指出，銀在微小奈米(nano)尺度下發生類似火山爆發現象，爲「銀」與「氧」的化學反應，這現象也顛覆學界、工業界等長期以來認爲銀／銀低溫低壓直接接合，其界面要極度乾淨、高真空狀態才容易產生鍵結的觀點。爲確定銀的火山爆發現象其接合強度的實驗過程中，林士剛副教授又觀察到，接合強度不夠，上端的銀脫落後，下端的銀表面竟然出現色差，呈現原本覆蓋其上的形狀，顯示錶面微結構產生變化。遮蓋與否，似乎對金屬表面的微結構扮演不同的角色。團隊設計了鏤空的NCKU（成大）與ISIR（日本大阪大學產業科學研究）字體遮罩，分別從常溫、真空環境下去了解金屬微結構變化以及可否控制微結構生成，結果都如預期般，做出想要的字體圖案，做到世界上首次可以控制金屬凸塊生成。林士剛教授表示，銀／銀低溫低壓直接接合技術，是高功率電子元件重要關鍵技術，高功率電子元件又是航太科技、能源轉換以及電力驅動等諸多應用的關鍵元件，是綠能與電動車發展的重要技術。林士剛副教授與菅沼克昭教授團隊的研究成果，極具商業價值，發展性十足。