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台實實業推廣三維奈米架構解決Hybrid Bonding與熱處理難題

矽晶圓上的奈米線結構。

全球半導體製程已經進入到三奈米的競爭,隨著半導體元件尺寸微型化加劇,越來越接近物理極限,研發新一代高效能元件是產業界發展的顯學,宛如軍備競賽般的鉅額資本支出,以強化縮小元件尺寸技術的布局,同時也多管齊下轉進到從電晶體與元件結構的新設計,透過不同的材料、結構和工作原理方面進行探索,其中,奈米線(Nanowire)結構正是在這波科技發展領域中受到注目。

雖然做出奈米線結構仍處於實驗室驗證階段,但是德國新創企業Nanowired GmbH率先發展出製程設備與材料,正準備大舉在半導體、車用電子、3D封裝、LED巨量轉移、印刷電路板與散熱模組等產業上尋求發展機會。

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奈米線對接後結構。

目前鎖定利用這種奈米線金屬做為一種高精密度互連(Interconnection)的微結構,由於奈米結構上,量子力學效應掛帥,在精密控制奈米線的長度、角度與線寬等各種不同的組合規格下,可以改變金屬的物理特性,而形成在一般常溫下做為連接兩片金屬的嶄新技術,用以取代傳統高溫焊接的製程,對於競爭白熱化的全球半導體產業而言,具有相當大的市場價值與潛力。

台實實業,專注於德國技術產品的代理商,目前主要代理產品包括RF 360 & TDK與Qualcomm的表面聲波(SAW)、溫度補償表面聲波(TC-SAW)、體聲波(BAW)等濾波器元件、陶瓷元件、電容器和電感器等零組件,在台成立超過40年,台實實業過往與Siemens的關係久遠,當年台北市捷運系統採用西門子系統的年代中,台實實業也實際參與重要的合作。

台實實業事業發展經理蘇家威先生接受這次專訪,專為代理Nanowired GmbH的金屬奈米線技術與製程機台而來,嘗試引進奈米線技術在半導體3D封裝、AiP天線、印刷電路板的PC載板與散熱模組等產業,解決產業上的棘手的封裝與熱處理問題。

台實實業代理Nanowired GmbH奈米線量產製程與機台

Nanowired GmbH創立於2017年,聚焦於發展奈米線量產製程的機台與材料,其3位主要科學家兼創辦人的專利技術在於做到長度、方向、均一性都可以控制的奈米線,目前主要營運目標在於推展產業界的應用,在德國的汽車市場上已經開始嶄露頭腳,而台灣是全球半導體產業的重鎮,是奈米線製程理想的技術熱點。

Nanowired GmbH的奈米線做為連接導通線路的技術,傳統上使用焊接將銅、金、鎳、銀等連接線接在一起,因為金屬熔點都超過攝氏300度,在矽晶圓、記憶體裸晶堆疊、PC載板、5G通訊AiP天線模組、CMOS光電感測器封裝,還有軟板(FPCB)的接點連接上,高溫的焊接製程都會有重大的疑慮,而為了保持接觸電阻(Contact resistance)小於1 µΩ/mm²的要求,又要兼具足以承受15至60MPa的雙軸向應力的拉扯作用,這就是這個技術的核心賣點。

奈米線是半導體線路高精密度互連的顛覆式創新技術

Nanowired GmbH所開發的奈米線製程機台,利用透過曝光顯影將奈米線結構生成於極小的區域,主要製程由光罩(Mask)、奈米線生成(NanoWiring)、光阻去除(Strip)與裸晶堆疊(Stacking)4個關鍵製程所組成,適用於具有ISO 5(Class 100)到ISO 10規範之間的無塵室環境,當中核心的奈米線連結製程又細分3種主要連結技術,分別是KlettWelding、KlettSintering與KlettSintering+。

KlettWelding、KlettSintering與KlettSintering+是其自創的名稱,當中KlettWelding 是指在攝氏23度、60毫秒時間條件下,將兩個金屬接點黏貼,並得到15~20MPa的接合應力。

KlettSintering則是指額外再加壓約10秒鐘,使用加溫到攝氏170度來黏貼接點,而KlettSintering+則是加壓與加溫之外再加上Nanowired GmbH所開發的奈米線金屬膠帶(KlettWelding Tape),以介於來黏貼兩片金屬之間,這些不同的奈米線製程綜合使用加壓、加熱與特殊材料的金屬膠帶而成,因應不同產業界對溫度忍受性與接點所需接合應力大小而有選擇不同的製程。

歐洲汽車市場成為奈米線技術完美的舞台

目前透過與產業界的相互合作測試,在歐洲市場率先拔得頭籌,展開在汽車工業的試點以回應客戶的殷切需求,因為汽車工業使用大電流的汽車電子設計愈來愈多,一般的金屬接點可能用焊錫或是鎳等金屬進行焊接。

由於銅質導線傳導能力較佳,造成大電流通過的熱量都留置在焊接點上,往往變成安全性上的風險,尤其電動車正風起雲湧造成市場的大改變之際,其電池充電器因為大電流的設計,更容易造成接點發熱,影響分秒必爭的充電效能,這是各家品牌大廠急需解決的關鍵議題,目前在德國市場上的汽車零組件供應商已經開始使用Nanowired GmbH所開發的奈米線技術來測試最佳解決方案。

奈米線瞄準半導體產業的新機會

蘇家威表示,台實實業在台灣業界中本身就是國內網通大廠的零組件供應鏈的一環,鑒於5G通訊的智慧型手機與基地台等設備,正積極擁抱AiP天線與技術,但是遇到了焊錫本身容易造成射頻訊號反射的缺陷,而讓5G天線接收與傳輸的速率受到拖累影響,國內網通大廠正尋求解決訊號高速傳輸效能的技術挑戰。

同樣的挑戰也發生在雲端資料中心因應800GbE規格的即將問世,最高傳輸速度進一步提升至800Gbps ,Ethernet訊號調變面臨800GbE的高速訊號傳輸與接收所面臨的嚴苛測試,尤其在伺服器用的PCB多層板線路設計時。

由於資料傳輸速度高,再加上採用HDI多層板的設計,往往隨著走線、過孔和連接器中發生損耗引起的訊號衰減,容易產生影響訊號完整性的問題,其他還有包括PCB產業的軟硬板接線的問題,因為回焊爐(Reflow oven)的高溫產生銅箔翹曲而在製程良率上的衝擊,這對於奈米線而言,無疑都是一展身手的完美舞台。

除此之外,對於半導體晶圓廠紛紛跨足3D封裝技術,晶圓對晶圓的接合技術包括CoWoS(Chip on wafer on Substrate)與多晶圓堆疊(Wafer on Wafer)封裝技術正形成新一代創新封裝技術的機會。

對奈米線而言,晶圓對晶圓的貼合可以在室溫下利用適當加壓,或加熱到170度,就可以改善傳統的打線接合(Wire bonding)製程,甚至未來尋求技術取代的機會,這將大大改變3D封裝技術的未來。

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