银的「奈米火山」爆发现象 林士刚协助大阪大学团队解谜
▲成功大学材料系副教授林士刚，参与菅沼克昭教授团队高功率半导体电子元件关键技术「银／银低温低压直接接合」研究，解开「银在微小奈米尺度下发生类似火山爆发」现象。（图／成大提供）
成功大学材料系副教授林士刚，获邀赴日本大阪大学客座，参与菅沼克昭教授团队高功率半导体电子元件关键技术「银／银低温低压直接接合」研究，对发现该团队技术基础之实验数据与理论间有疑点待厘清，经重新计算与推论一举解开谜团，原来是「银在微小奈米尺度下发生类似火山爆发」现象所致。过去认为的「银／银低温低压直接接合」机制，与电子元件中常见不受控制的自生极细微金属凸块相同，金属凸块易造成电子系统短路等问题，曾导致卫星掉落，林士刚副教授协助该团队做到世界上首次得以控制金属凸块生成，他们的研究可大幅提高半导体电子元件的性能，包括微小化、简化制程、降低成本，高温下维持效率，对未来高功率半导体电子构装的发展将带来革命性影响。林士刚副教授与菅沼克昭教授的国际合作成果-「Nano-volcanic eruption of silver(银的奈米火山爆发现象)」论文，10月登上Nature子期刊Scientific Reports，成大与日本大阪大学已共同申请日本、台湾等多国专利：日本已取得专利，台湾申请中，近期也将申请美国、中国大陆的专利。林士刚副教授透露，菅沼克昭教授团队「银/银低温低压直接接合技术」的相关制程，已应用在日本TOYOTA电动车的电力控制系统元件，整体效率提高外，电力控制箱的尺寸也减一半。成大与大阪大学在「银/银低温低压直接接合技术」的交流成果，将可技转给国内厂商。微小化与高效能是电子元件发展的两大趋势，立体叠堆晶片能有效缩小元件体积，而采用高功率半导体则能提高元件效能，两大领域都仰赖金属直接接合（例如银／银）技术，因此近年产、学界纷纷投入研究。菅沼克昭教授团队在「银／银低温低压直接接合」有一定的技术，不过，只是知其然，而不知其所以然。林士刚副教授去年暑假参与团队研究，发挥他「材料热力学」专长，看一眼就发现实验数据与理论之间有一些疑点待厘清，实验数据不该与理论的数据存在数倍以上的差异，他以材料热力学重新计算，提出新观点─「银在微小奈米(nano)尺度下发生类似火山爆发」现象，爆发的火山灰烬（银原子）发挥胶水般的功能，将两片银黏住。而非原本认为的硬力挤压，导致银原子往表面扩散、累积，造成银与银直接接合。团队依新推论重做实验，数据与理论完全符合。林士刚副教授指出，银在微小奈米(nano)尺度下发生类似火山爆发现象，为「银」与「氧」的化学反应，这现象也颠覆学界、工业界等长期以来认为银／银低温低压直接接合，其界面要极度干净、高真空状态才容易产生键结的观点。为确定银的火山爆发现象其接合强度的实验过程中，林士刚副教授又观察到，接合强度不够，上端的银脱落后，下端的银表面竟然出现色差，呈现原本覆盖其上的形状，显示表面微结构产生变化。遮盖与否，似乎对金属表面的微结构扮演不同的角色。团队设计了镂空的NCKU（成大）与ISIR（日本大阪大学产业科学研究）字体遮罩，分别从常温、真空环境下去了解金属微结构变化以及可否控制微结构生成，结果都如预期般，做出想要的字体图案，做到世界上首次可以控制金属凸块生成。林士刚教授表示，银／银低温低压直接接合技术，是高功率电子元件重要关键技术，高功率电子元件又是航太科技、能源转换以及电力驱动等诸多应用的关键元件，是绿能与电动车发展的重要技术。林士刚副教授与菅沼克昭教授团队的研究成果，极具商业价值，发展性十足。