電子元件都硬邦邦沒彈性？輕如羽毛又可揉捏的電子感測器在這裡啦

在半導體技術的快速進步中，晶片的製造已經達到了前所未有的微小尺度。當今的晶片不僅需要高度集成，還要求每層薄膜的厚度縮小至僅有幾層原子厚。這樣的挑戰驅使半導體產業不斷探索新技術，如環繞式閘極、3D 封裝以及極紫外光（EUV）曝光技術等。

然而，這些技術的成功依賴於一個至關重要的基礎步驟：製作極其薄的材料層，而這正是原子層沉積（ALD）技術的核心所在。

為什麼需要如此精細的薄膜製程？

半導體製造是一個高度複雜的過程。晶片的每一層都需要精確的材料沉積，以確保其功能和性能。在半導體產業中，即便是台積電這樣的領先企業，也無法單獨完成所有製程。從晶圓到光阻劑、曝光機等材料和設備，都需要來自全球各地的供應商。這樣的龐大產業鏈反映了製造晶片的難度，正如著名科學家石神千空所言，半導體製造猶如「地獄級」的挑戰。

在半導體製程中，微影製程是核心技術之一。微影製程的基本概念是將一層層材料「蓋」在晶圓上，通過沉積、曝光和蝕刻三個步驟，逐步構建出完整的晶片。首先，工程師會在晶圓上製造一層絕緣層，然後進行沉積，添加所需材料（如絕緣體、半導體或金屬層）。接著，塗上一層光阻劑，並通過曝光技術（例如 EUV 極紫外光曝光機）刻出所需圖案。最後，進行蝕刻，去除未被保護的材料，留下圖案。這個過程會重複進行，以構建出複雜的結構。

薄膜技術的挑戰

在製造薄膜時，選擇合適的技術是至關重要的。薄膜製程大致分為物理和化學兩大類。物理方法包括蒸鍍、濺鍍和分子束磊晶等，而化學方法則有化學氣相沉積（CVD）和化學液相沉積等。在半導體行業中，化學氣相沉積（CVD）是一種常見的薄膜製程技術。CVD 過程中，氫氣、氬氣等載氣將原料氣體帶入反應室，經過化學反應後，材料會在基板上沉積成膜。

然而，隨著半導體技術的進步，晶片結構變得更加複雜，例如從平面電晶體到現今的 FinFET 鰭式場效電晶體，再到 GAA 環繞式閘極電晶體。這些複雜的結構對薄膜技術提出了更高要求。CVD 在處理這些結構時可能會遇到困難，尤其是在高精度和均勻度方面。這時，原子層沉積（ALD）技術便成為了解決這些問題的關鍵。

ALD 技術的原理與優勢

原子層沉積（ALD）是一種改進的化學氣相沉積技術，它將沉積過程分為兩個步驟。首先，注入第一前驅物，與基板表面反應。此階段需確保前驅物只與基板產生反應，形成一層原子厚的薄膜。當表面飽和後，注入第二前驅物，與已附著的前驅物反應，形成目標材料，完成薄膜的製程。

例如，製作氧化鋅薄膜時，第一前驅物是二乙基鋅。二乙基鋅在基板上反應後，會形成一層單分子厚的二乙基鋅。隨後，用氬氣沖洗掉多餘的前驅物，再通入水，水與二乙基鋅反應，生成氧化鋅。這樣的過程能確保薄膜的厚度均勻且精確。

ALD 技術的主要優勢在於其能夠精確控制薄膜的厚度，即使在非常複雜的結構中，也能確保每一層薄膜達到預期的厚度。這使得 ALD 在製造先進的半導體元件中具有不可替代的地位。

ALD 的未來與 ASM 的角色

ALD 技術自 1977 年由芬蘭材料學家圖奧莫．松托拉開發以來，已經歷經了近 50 年的發展。1999 年，松托拉將 ALD 技術出售給荷蘭半導體設備公司 ASM，這使得 ALD 技術得以在 ASM 的支持下持續進步。ASM 目前在 ALD 市場中擁有超過 55% 的市場份額，這反映了 ALD 技術的重要性和廣泛應用。

隨著半導體技術的不斷進步，ALD 技術也在不斷演化。除了傳統的 ALD 技術，電漿增強型 ALD（PEALD）也逐漸成為新興技術。PEALD 通過電漿技術來提高反應效率，解決了 ALD 在某些情況下反應率不足的問題。這使得 PEALD 能夠更好地應對複雜的薄膜製程需求。

原子層沉積技術（ALD）在半導體製程中扮演了至關重要的角色。隨著技術的不斷進步，ALD 技術已經能夠應對更加複雜的製程要求。ASM 作為 ALD 技術的領導者，不斷推動技術創新，以維持在半導體產業中的領先地位。面對未來，ALD 技術必將繼續發揮重要作用，推動半導體技術向更高的精度和性能邁進。

本文由 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

奇幻故事中常見的魔法石可以輸出源源不絕的能量，其實在現實生活中的 20 世紀末期，人類真的發明了魔法石！

想像一下，手機開啟視訊，可以看到遠方的景色和親友，這不就像遙視、千里眼嗎？或者問 AI 上網查資料，就像內建大賢者。連開手電筒都像是探索地底迷宮的照明法術一樣！這些譬喻讓我們意識到，許多看似理所當然的科技實際上就像魔法一樣神奇。

晶片的原理

晶片進行的是邏輯運算，就像我們做的數學計算一樣。它裡面有許多微小的電子元件，類似於樂高積木一樣，用來進行各種運算。過去的電子元件是大型真空管，後來發明了電晶體，但仍需大量使用。直到有人提出了積體電路的概念，將許多電晶體整合在一起，這才開啟了晶片時代。

從真空管到奈米晶片，科技的進步無所不在。現代的魔法石就是這些晶片，它代表著工程師的智慧和創造力。科技或許是一種新型的魔法，由無數工程師代代相傳，用理性和創意塑造出來。所以，現代的魔法並非來自大自然或神秘的力量，而是來自人類的智慧和努力。

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像電動車、充電樁使用於車用、工業用與戶外級別的電子產品，因應使用環境電子元件都需要採用三防膠塗佈保護，才能防止污染、腐蝕等問題。但為什麼，產品即便已經做了塗膠防護處理，仍會發生硫化腐蝕最終導致故障呢？原因可能就出在「膠」選得不對！

本文轉載自宜特小學堂〈為何已採用三防膠塗佈的電子產品，仍然發生硫化腐蝕失效〉，如果您對半導體產業新知有興趣，歡迎按下右邊的追蹤，就不會錯過宜特科技的最新文章！

近年來，伴隨環保概念提升與綠能意識抬頭，燃油類設備機具減少、電子產品數量增加，生活中最常見的就是電動車和充電樁變得越來越多。由於這類電子硬體設備會長期待在室外環境，加上日趨嚴重的空氣污染威脅，腐蝕性氣體、水分、污染物、懸浮微粒會直接或間接地造成產品中的元件生鏽或腐蝕，就會發生故障影響產品的使用壽命。而三防膠就是為了加強保護電子元件、延長設備壽命、確保安全性與可靠性所誕生的一種塗料。

一、 什麼是三防膠（Conformal Coating）？哪些產品特別需要使用三防膠？

三防膠又稱三防漆，跟大家概念中的膠或是漆有點像，它是常用於電路板上的一種特殊塗料。三防膠具有良好的耐高低溫特性，經由三防膠塗佈的電路板會產生一層「透明聚合物薄膜」，就能維持電路板外形並保護好電子元件，達到「防濕氣」、「防污」、「防腐蝕」的效果，因此才被稱為「三防」膠。

前面有談到，因應全球環境變化，電子產品卻越來越多元、越來越精密的條件下，現代電子硬體設備不僅擁有高性能，還需要具備抵抗惡劣環境的能力，像是應用在工業、車用、航太、戶外級別的電子產品，例如：資料中心、工業電腦、電動車、儲能站與低軌衛星等等……。

這些產品比起一般家電的使用環境更加嚴苛，尤其在面對含硫化氣體污染高的環境，特別容易造成「硫化腐蝕現象」，因此在製程中，電子元件必須做好三防膠塗佈處理、提升產品可靠度是非常重要的事。

什麼是「硫化腐蝕」跟「爬行腐蝕」？

當電子產品發生硫化腐蝕，會導致設備發生短路或開路的故障風險，像發生在印刷電路板或導線架封裝的爬行腐蝕（下圖一、圖二、圖三），或是表面貼裝被動元件的硫化腐蝕（下圖四），都是十分常見的案例。

二、 電子產品該選擇哪種方式做防護處理？

為了有效地隔絕惡劣環境對電子設備的影響，除了前面提過三防膠（Conformal Coating）的處理手法，一般也會採用灌封（Potting）來處理。下表是灌封與三防膠的差異比較。

方法	灌封	三防膠
保護性	優	中-優
加工與 重工性	劣（氣泡殘留、重工困難）	優
品管檢驗	劣（外觀不可視）	優（外觀可視）
應用性	劣（侷限）	優（輕薄）
環保	劣	優
範例	圖／Epoxyset Inc.	圖／Charged EVs

雖然灌封比三防膠保護性更好，但並非所有電子元件都能用灌封處理，灌封在作業前必須考量電子元件，會因為加工的熱應力、固化收縮應力、氣泡殘留等等產生影響，也要評估較多的產品設計條件，包括：尺寸、外殼、重量、熱管理、加工、重工、檢驗、成本與環保等因素，才能確認該產品是否適合做灌封處理。

而三防膠的加工快速、重工容易與成本較低的優點，既可以提升產品抗腐蝕的能力，又可維持印刷電路板的外形而不影響後續的組裝作業，可以說三防膠的泛用性會比灌封來得更高。

所以當電子設備需要在惡劣的環境運作，或是終端電子設備發生腐蝕失效時，三防膠通常是組裝、系統廠商針對電子產品腐蝕的問題會優先採用的方案，廠商可以直接管控三防膠塗佈製程的品質，能夠針對終端客戶退回產品時進行立即性的改善作業。

三、 原來三防膠有很多種？

目前三防膠的種類主要可分為八大類，包含：Silicone Resin（SR）、Acrylic（AR）、Polyurethane（UR）、Epoxy（ER）、Paraxylylene（XY）、Fluorine-carbon resin（FC）、Ultra-Thin Coatings（UT）與 Styrene Block Co-Polymer（SC）。一般三防膠的種類可依照材質區分種類，然而混合型的三防膠材則是以重量百分比佔高的材質為主，如果三防膠的厚度 ≤12.5um ，膠材將不受材料種類的拘限都被歸類於 UT 型。每一種三防膠都有不同的特性，常見的評估項目有厚度、黏著性、耐溫性、抗化學性、防潮性、加工與重工性、普遍性、疏孔性、耐鹽霧腐蝕性、表面絕緣電阻程度與成本高低等。

四、 為何已經採用三防膠塗佈的電子產品仍發生了硫化腐蝕失效，原因竟是國際規範不足？

一般業界針對三防膠的國際規範，大多是參照國際電子工業聯接協會（Association Connecting Electronics Industries；IPC） 所制定的試驗標準 – IPC-HDBK-830A、IPC-CC-830C 與 IPC-J-STD-001F。這幾項標準都是一般常見於三防膠相關的國際規範，它們定義了三防膠的設計、選擇與應用的準則，用於焊接電氣和電子組件要求，以及用於印製線路組件用電氣絕緣化合物的鑑定及性能。

而針對三防膠的驗證項目，包括了：種類、厚度、均勻性、缺陷、重工、應用、耐溫溼度環境、耐鹽霧、表面絕緣電阻等。其它與三防膠有關的標準還有 IPC-A-610H、IEC-1086-2、MIL-I-46058C、MIL-STD-202H、Method 106、NASA-STD-8739.1、BS5917、UL94、UL746F 與 SJ 20671……許多的國際規範。

然而在眾多三防膠國際規範的耐腐蝕性項目評估中，卻獨缺了「腐蝕性氣體的試驗」，尤其是在含硫與其化合物相關的腐蝕性氣體。因此，一旦產品的使用環境含有硫或硫化合物相關的腐蝕性氣體，即使電子設備已採用三防膠塗佈，仍會發生硫化腐蝕失效的問題。

此外，電子設備中也不是所有組件皆可以採用三防膠的塗佈，由於膠材具備絕緣的特性，一般均無法塗佈於電性連接、電器接點處，例如：金手指、插槽與連結器等。下圖是有採用與未採用三防膠塗佈的導線架封裝晶片發生與未發生硫化腐蝕的照片。

未採用三防膠塗佈	採用三防膠塗佈	採用三防膠塗佈
導線架發生嚴重的硫化腐蝕	膠材的抗硫化腐蝕能力不足	製程的缺陷（氣泡）導致保護不足
導線架發生嚴重的硫化腐蝕	膠材的抗硫化腐蝕能力優異	未採用三防膠塗佈

五、 不是有塗或是夠厚就好，透過驗證平台選擇出正確的三防膠材才有效！

透過上述的說明可以了解，如果只是按照規範去選擇三防膠材後進行塗佈，可能會遺漏腐蝕性氣體或是其他因素的影響，無法讓產品獲得最完善的保護。為了解決窘境，宜特科技所提供的硫化腐蝕驗證平台，可以協助廠商選擇正確的三防膠材，並針對各種採用三防膠塗佈的電子產品，評估產品抗硫化腐蝕的能力並進行壽命驗證。

上圖為透過宜特實驗室的硫化腐蝕驗證平台，評估各種三防膠材搭配不同厚度條件在硫化腐蝕試驗的耐受性。其中未經三防膠塗佈的抗硫化晶片電阻樣本（黑色），經歷 25 天的試驗後發生失效，但塗佈膠材 Ｃ（綠色）與膠材 Ｄ（藍色）的樣本，僅僅經歷 5 到 10 天的試驗就發生了失效。

由此可證，並非所有三防膠材都有具備抗硫化腐蝕的能力，抗腐蝕能力主要取決於膠材本身的材料特性，某些特定膠材非常容易吸附含硫與其化合物相關的腐蝕性氣體，即使提高厚度，也無法有效降低硫化腐蝕的發生，即便電子零件本身有做抗硫化腐蝕的設計，一旦選擇不合適的膠材，反而會加速電子產品發生硫化腐蝕失效的風險。

下表是採用相同樣本搭配不同的三防膠材，經硫化腐蝕試驗後，進行橫切面的掃描式電子顯微鏡分析之比較。可以看到，雖然膠材 B 的塗佈厚度比膠材 A 更厚，但是膠材 B 抗硫化腐蝕的能力卻更差。

三防膠	膠材 A	膠材 B
厚度	<30um	>100um
電子顯微鏡照片
抗硫化腐蝕的能力	優	劣

藉由宜特實驗室的硫化腐蝕驗證平台，不但可以協助選擇正確的膠材，亦可針對採用各種三防膠塗佈的電子產品，依照國際規範標準，並以實際終端環境的腐蝕程度搭配模擬使用年限，透過上述客製化的實驗設計，能夠協助廠商評估產品抵抗硫化腐蝕的壽命驗證。

本文出自 www.istgroup.com。