【材料系莊東漢教授研究團隊】首創開發抗離子遷移銀合金銲線榮獲科技部產學成果簡報特優獎
材料系莊東漢教授(左1)與其研發團隊合影。
材料系莊東漢教授團隊與樂金公司(Wire Technology Co., WT)共同開發業界首創之抗離子遷移銀合金銲線，於科技部工程技術研究發展司108年度產學合作計畫成果發表暨績效考評會榮獲「產學成果簡報特優獎」。
IC及LED晶片為了傳輸訊號與電力，必須藉助內連線(Interconnection)對外聯結，打線接合(Wire bonding)是最傳統也是目前仍然使用最廣泛的內連線技術，然而從美國貝爾實驗室1957年發明打線接合技術以來，電子產業均使用昂貴的金線作為高階IC及LED封裝打線材料，近年來由於金價高漲，業界開始使用銅線及鍍鈀銅線，然而銅的高硬度很容易造成晶片破裂，銅的氧化性亦會導致可靠度問題；臺大與樂金公司研發團隊首創銀合金線，並積極推廣至半導體產業市場。此一封裝打線新材料獲得中華民國I384082、日本5670412、德國 DE102013000057A1、美國 US 8940403、韓國 10-1328863、中國ZL1670992等6國發明專利 (Alloy Wire and Methods for Manufacturing The Same)及發表16篇SCI期刊論文，更獲得2013年國家發明獎、2013年經濟部產業創新成果獎、入圍2015年全球百大科技獎。此創新銀合金線價格只有傳統金線的20%以下，性能卻與金線相近，打線作業性更優於銅線，2013年矽品公司法說會林文伯董事長公開對外發布：「矽品改拚銀打線」，臺大與樂金公司研發成功之封裝銀合金線目前已成為IC及LED封裝市場主流，單就矽品公司的使用需求，樂金公司目前每年供應矽品公司銀合金線超過30萬公里，銷售額約1.5億元，其他臺灣、大陸及東南亞各大IC及LED封裝廠亦均為樂金公司客戶。
實際上，臺大與樂金公司在推廣銀合金線封裝的初期，一直受到一個很大挑戰，即是：電子產業在1980年代混成電路燒結銀導線所遭遇的「銀離子遷移」(Ag ion migration)問題，在「一朝被蛇咬，三十年怕草繩」的心態下，客戶不斷質疑此一銀離子遷移的顧慮，在科技部開發型產學合作計畫「抗離子遷移銀合金銲線開發」的支持，與樂金公司配合款、先期技轉金(45萬元)及產線人員積極配合下，臺大與樂金研發團隊針對銀合金線的離子遷移問題展開學理探討與技術應用研究，獲得許多具體成果，並將這些研發結果主動對客戶說明，由於客戶疑慮的消除，更使得樂金公司銀合金線銷售量及銷售額均大幅成長。本研究除了在合金設計上，證實銀合金線添加Pd可有效降低銀離子遷移，進一步添加Au可以更加強離子遷移抑制效應，更開發出添加高表面偏析且具抗蝕功效微量元素的SW系列高銀合金線產品及添加高表面能且抗氧化微量元素的SU與CW系列高銀合金線產品。本研究更在離子遷移領域首度發現：電解液如果存在Cl-、Br-、F- 離子，由於Cl-、Br-、F- 離子會與Ag+離子直接反應形成不可溶的AgCl、AgBr、AgF生成物，覆蓋在銀合金線表面，因而對銀離子遷移產生完全免疫效果。本研究更進一步證實：銀離子遷移必須在導線間有足夠水膜才會發生，因此，只要電子產品封膠(Encapsulation)適當，沒有裂縫或脫層，即可避免離子遷移。更有趣的是我們在幾個實驗案例證明了：封裝結構其實還有許多含銀材料組件，例如：引腳架鍍銀、銀膠、化銀銲墊、背晶鍍銀…，這些含銀封裝組件在封膠不良導致水膜侵入的情況下，同樣會引發銀離子遷移。另外在一些文獻上，我們也發現即使是銅線或金線，在高電壓及水膜存在的條件下，也一樣會發生離子遷移現象。
由於本研究對樂金公司營運效益的提升，樂金公司隨即再配合科技部支持臺大執行107年開發型產學合作計畫「銀合金帶材軋延及退火材料特性與晶粒結構研究」，並提高先期技轉金為60萬元，目前第一年開發成功之銀合金帶材(Ag alloy ribbon)在德國Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration(IZM) 針對英飛凌車用功率IC封裝需求，驗證超音波接合後產品材料性能優於IZM開發中的銅/鋁雙金屬(Cu/Al clad)，包括：尾部不會翹曲、接合頸部不會有凹痕、不會發生Cu/Al界面介金屬脆化等優點，另外模擬分析顯示銀合金帶材有極佳的散熱效果：針對BMS/SSR功率模組在480A連續運作150秒後的溫度僅79℃，遠低於傳統使用粗鋁線溫度高達156℃，樂金公司已經在2019年臺北半導體展SEMICON公開此項新產品，因應車用高功率IC產品封裝需求，樂金公司更於 2018年12月在新竹科學園區新創一家「樂鑫公司(Ag Materials Technology Co., Amtc)」。
臺大材料系莊教授表示在臺大講授「電子構裝技術」近三十年，最大感慨是：臺灣不論在IC或LED產業均居於世界領先地位，但是關鍵材料卻始終掌握在幾個國際大廠，以封裝打線接合材料為例，過去封裝線材完全仰賴進口，近年來雖有國內幾家公司投入傳統金線或鍍鈀銅線的開發及銷售，但由於難敵日本TANAKA、韓國MKE及HESSUNG、德國HERAEUS等國際大廠，幾乎全軍覆沒；樂金公司是在2008年12月才成立，以單一產品「銀合金封裝銲線」能夠在短短十年內成為國際半導體封裝材料指標供應商，除了歸功於科技部與經濟部(技術處及工業局)對產業研發的支持，更重要因素在於產品競爭及推廣策略的成功：在面對這些國際超級資深大廠的競爭，我們採取的是「迂迴戰術」，不在傳統金線及銅線與這些國際大廠正面對撞，而是從產品創新角度研發一種性能超越傳統金線及銅線的銀合金線，同時在成本及市場應用上與國際大廠對決；另外在行銷方面，我們採取「從鄉村包圍城市」的戰略，先說服許多以價格為優先考量的IC及LED小公司嘗試使用此新材料，經過兩三年的消費市場考驗與產品可靠度實績，終於獲得封裝大廠矽品公司大量採用，也因此帶動各大IC設計與封裝廠相繼導入銀合金線，反而讓那些國際封裝線材大廠爭相跟進，創造臺灣之光！
