新世紀的化學工程:電子材料與電子特用化學工程 / 竇維平

星期三 , 14, 九月 2016 Leave a comment

新世紀的化學工程:
電子材料與電子特用化學工程

竇維平

國立中興大學化學工程學系
dowwp@dragon.nchu.edu.tw

n  前言

化學工程之所以在「工程」之前寫上「化學」,表示這樣的專業是在大學工程學院裡,唯一具備廣泛化學背景的工程學科。因此,化學工程常被稱為「工業之母」,便是這個道理。人類的食、衣、住、行、娛、樂等,都需要「製造業」才能產生出相對應的物質或功能,這些製造的過程,在化學工程中被稱之為「製程」(process)。換言之,人類所需的任何東西,都要有一定的製程步驟,才能獲得最終的「產品」。

在所有產品的生產過程中,需要各式各樣的化學物質,產生各種材料[1],以便符合人類最終的功能需求,其中電子產品便是現代較具代表性的物品,如電腦、顯示器、智慧型手機、數位相機、數位電視機等。這些電子產品在生產的過程中,需要大量的化學物質與材料[1],因此,化學工程與材料科學便息息相關、密不可分。本文將以電子材料為代表,闡述材料科學在化學工程學科裡的重要性及相關性。

n  化工與材料

在化學的世界裡,主要是以原子與分子來看這個世界[1]。但是,在化學工程的世界裡,是以原子、分子、化合物、反應工程及材料工程來看這個世界。換言之,化學工程是將週期表上的所有元素,經由一定的程序與製程,產生特有的材料,製造出有用的產品。化學工程的熱力學,可以告訴化學工程師,哪些化學反應是會發生的?哪些化學反應是不可能發生?藉由這樣的熱力學計算,化學工程師可以事先預測材料的可行性與穩定性,進而找出可行的化合物質與材料,然後置入產品的生產製程當中。

任何材料,如高分子材料、塑膠材料、陶瓷材料、金屬材料等,都具有特定的化學鍵結,如共價鍵、離子鍵、金屬鍵、配位鍵等,化學工程師在瞭解這些化學的基礎之後,才能選擇適當的材料,作為可靠度較佳的電子產品。在化學反應工程中,不是單單只有同相的(homogeneous)化學反應,產生同相的化學產品;也常常會有異相的(heterogeneous)化學反應,產生相變(phase change)之後,如液體變成固體,才是化學工程師要的材料。例如:原本是液相的電解質,經過通電過程,可以將溶於水中的金屬離子,轉變(還原)成金屬原子,沈積出特定的金屬圖案於特定電子元件上的特定區域,進而變成電子產品中的導線。這樣的製程,吾人稱之為電化學沈積(electrochemical deposition)製程,或是俗稱的電鍍(electroplating)製程。

n  電子材料與特用化學工程

以電子產品中的智慧型手機為例(見圖一),其中吾人常會需要用到的電子材料與元件有:(1)中央處理器,以半導體與金屬材料為主(見圖二、三);(2)晶片封裝,以高分子材料為主;(3)觸控面板,以透明導電玻璃材料為主;(4)訊號傳輸天線,以金屬材料為主;(5)主機板,以樹脂、玻璃纖維、金屬復合材料為主等等。

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圖一:智慧型手機之內觀(圖片來源:http://goo.gl/eJq876, Public domain

這些電子材料與元件,都需要經過複雜的特用化學製程,才能將其生產出來,如無機元素摻雜矽材料製程,氣相沈積製程,化學機械研磨製程,有機化學合成製程、化學鍍製程、電鍍製程等等。圖二、三便是12吋晶圓以及中央處理器所需要的半導體矽材料、金屬材料與介電材料等。

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圖二:12吋矽晶圓(左);32奈米中央處理器之9層金屬導線電子切片影像(右)[2]Copyright permission

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圖三、以電鍍銅金屬當導線之邏輯晶片[2]Copyright permission

隨著電子產品日新月異,功能越來越強大,因此,電子元件的記憶體容量也隨之被迫提昇。因此,動態隨機讀取記憶體(DRAM)便水漲船高,但是,由於此電子元件之電路設計或是製程方法之門檻不是非常高,因此,售價一直沒有起色,甚至多家廠商因此經營不下去。但是,一個電子產品若是沒有DRAM,幾乎無法運作,所以,三維(3D)空間之DRAM晶片堆疊製程技術便開始大展生手,如圖四所示。這樣的晶片3D堆疊封裝技術,主要是利用電鍍銅技術,將晶片與晶片之間的線路予以垂執導通,大幅縮短導線的距離,同時縮小封裝元件所佔據的面積,因此可以獲得功能強,但輕薄短小的電子產品。在這樣的電鍍銅製程技術中,會用到電子特用電鍍配方,俗稱「功能性電鍍」配方,其中包含無機化學藥品、有機電鍍添加劑。此技術的開發,早在2003年,便有學者提出可行的學術論文研究成果[3],如圖五所示。

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圖四:三維半導體記憶晶片堆疊封裝示意圖[2]Copyright permission

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圖五:利用電鍍銅製程以及電子特用化學品,將微米尺寸的矽基材深孔洞予以填滿金屬銅,用來連接上、下晶片的線路[3]Copyright permission

電子產品都需要電源,近年來,鋰電池已經成為電子產品之電源主流,因為充電快、蓄電力強大,而且輕薄,因此,幾乎成為電子產品的最佳電源供應器。圖六顯示,要製造鋰電池的銅箔電極金屬材料,亦需要利用電鍍銅製程,同時亦需要添加特用的無機、有機化學藥品,才能使得鋰電池之電極銅箔具備光澤性,同時具備特有的金屬結晶結構。如此才能獲得良好的電力。這些電子特用化學品,在電子產品生產或是在其周邊配備生產中,都具有不可或缺的一席之地,否則將無法產出特有的電子產品之功能或是性能。

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圖六:電鍍銅箔表面電子影像,(a)沒有添加電鍍添加劑,(b)添加抑制劑、加速劑、平整劑以及氯離子[4]Copyright permission

n  結語

化學工程中的電子材料工程與科學,是現今化學工程學學科的重點專業知識之一。由於近年來電子產品的發展快速,功能又五花八門,因此,材料科學在化學工程師的養成教育中,漸漸轉變成一項主流。因為化學工程是大學工學院當中,唯一具備化學與工程雙專業科技的學科,最特別的是,「製程」又是化學工程的專業之一,因此,從最基本的化學元素,一直到最終的實用產品,化學工程無所不在。

n  參考文獻

[1] 林文雄林孫基劉仁煥李國興竇維平劉秀齡,化學,臺灣培生教育出版股份有限公司,臺北市,2009

[2] T.P. Moffat, D. Josell, Electrochemical Processing of Interconnects, Journal of The Electrochemical Society, 160 (2013) Y7-Y10.

[3] J.-J. Sun, K. Kondo, T. Okamura, S. Oh, M. Tomisaka, H. Yonemura, M. Hoshino, K. Takahashi, High-Aspect-Ratio Copper Via Filling Used for Three-Dimensional Chip Stacking, Journal of The Electrochemical Society, 150 (2003) G355-G358.

[4] K. Kondo, R.N. Akolkar, D.P. Barkey, M. Yokoi, Copper Electrodeposition for Nanofabrication of Electronics Devices, Springer, New York Heidelberg Dordrecht London, 2014.

 

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