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舉起時代的火炬,推動科技革命的巨輪:蕭克利與他的接面電晶體——《掀起晶片革命的天才怪咖:蕭克利與八叛徒》

親子天下_96
・2022/07/16 ・3671字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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電晶體時代的來臨

巴丁辭職兩個月後,貝爾實驗室終於準備好讓點接觸電晶體走出實驗室。

貝爾實驗室總部。 圖/wikimedia

1951 年 9 月中旬,為期五天的閉門研討會在紐澤西的貝爾實驗室辦公大樓召開,受邀者均經過五角大廈資格審查,主要是軍方的合作廠商,大約有 100 間,另外還有 20 間大學的研究學者。

有人認為是軍方施壓讓貝爾實驗室分享技術,好提升整體國防工業,但其實貝爾實驗室屬於研究機構性質,本來就無意製造販賣電子零件;而且母公司 AT&T 也未跨足通訊以外的產業,並不反對將電晶體的技術授權出去。

因此,對貝爾實驗室而言,收取權利金既符合公司利益,也讓軍方這個大客戶開心,還可以加速電晶體的時代來臨,簡直是三贏的局面。

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第二年,25 間美國廠商與 10 間外國企業取得授權,開始製造點接觸電晶體。最先應用的產品除了 AT&T 本身的通訊設備,其他都是屬於軍方的武器裝備;但到了年底,第一個電晶體消費性產品就問世了,那是由聲諾通公司(Sonotone)製造的助聽器 Sonotone 1010。

1952年,聲諾通公司(Sonotone)製造的助聽器 Sonotone 1010 問世。 圖/wikimedia

不過這個助聽器要價不斐,當時售價高達 229 美元(相當於現在 2250 美元),無法堪稱平價的商品。這其實反映了點接觸電晶體製造不易,成本壓不下來。再經過一年的時間,電晶體在 1953 年的每月出貨量約五萬顆,而同時期真空管每月產量仍多達三千五百萬顆。

儘管如此,電晶體的崛起已經引起大眾注目。比起五年前那場只有圈內人才能體會重要性的發表會,如今連財經記者也看出電晶體將會改變未來。1953 年 3 月號的《財富(Fortune)》雜誌便在一篇題為〈電晶體之年〉的專文中,預測電晶體的「可靠、小巧,耗電又低,會讓資料處理與計算的機器提升到任何所能想像的複雜度,而成為即將到來的第二次工業革命的核心。」

革命的大功臣:接面電晶體與矽

《財富》雜誌看到的是前一年 IBM 推出的通用型電腦,如果裡面的真空管全部改為電晶體,勢必會是另一番樣貌。結果一如其預言,隨著電晶體的效能日益提升,電腦果真推動了如今我們所稱的第三次工業革命*

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* 原文財富雜誌所說的第二次工業革命,其實是指現今的第三次工業革命。而現今所指的第二次工業革命則是指 19 世紀末到 20 世紀初,由電力帶來的改變。

不過《財富》雜誌沒看出來的是,點接觸電晶體並無法勝任這場革命,這場革命的掌旗手還是必須交給接面電晶體,同時電晶體材料也得從鍺換成矽才行。

當年布拉頓和巴丁為了降低表面態的能量障礙,用鍺取代矽,最後雖然成功發明點接觸電晶體;但鍺的能量障礙低的優點,也是缺點。能量障礙低,代表比較容易導電,一旦環境溫度太高或機器全速運轉(溫度升高)時,就會發生漏電。因此,當蕭克利另組團隊,開始打造接面電晶體時,就設定最終的成品應以矽為材料。

矽還有一個好處:地表上蘊藏豐富,是地殼中含量第二的元素。隨處可見的沙子其實就是二氧化矽,原料成本要比鍺便宜多了。不過要製造接面電晶體非常困難,得精煉出純度高達 99.999999999% 的矽,同時還要將原本結構不夠規則的多晶矽,轉為晶格排列整齊的單晶矽,才有利於電子順利通過。

在製造過程中,還得精確控制摻雜硼與鍺的分量,而且要確保位置精準、分布均勻;尤其三明治架構的中間那層 p 型矽必須薄到微米級的厚度才有放大效果,如何把硼均勻摻入這麼薄的中間層,不能有絲毫摻到左右兩邊,更是難上加難。

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貝爾實驗室一直到 1954 年初才發明出製造方法,但實驗室的文化畢竟是研究導向,並沒有積極投入量產。結果兩年前才向貝爾實驗室取得授權的德州儀器(TexasInstruments)後來居上,率先於 4 月宣布可以大量生產用矽打造的接面電晶體,並於 10 月推出第一臺電晶體收音機 TR-1。這臺收音機只比菸盒大一些,可隨身攜帶,讓一般大眾感受到電晶體將帶來巨大改變。

1954年推出了第一台電晶體收音機 TR-1 ,體積僅是手掌大小,可以隨身攜帶。 圖/wikipedia

蕭克利與貝爾實驗室的愛恨情仇

此時蕭克利並不在貝爾實驗室,他向公司請了一年的長假,回到大學母校加州理工學院,擔任客座教授。其實這是蕭克利故意表達他的嚴正抗議,抗議公司沒有給他「對等」的待遇。

貝爾實驗室高層不是相當重視蕭克利嗎?不但處處配合他,同意讓他兼任軍方顧問、任意調配上班時間,還幫他塑造電晶體發明人的形象,為什麼蕭克利還會如此不滿?原來蕭克利得罪的不只布拉頓與巴丁,事實上,已經有十幾個人都受不了他的剛愎自用又愛亂發脾氣,而先後辭職走人。

高層看在眼裡,都明白他雖然是個無庸置疑的天才,但個性缺陷改不了,所以只能負責特定專案,並不適合再提拔為更高階的領導者。

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可是蕭克利的聰明才智對公司實在太重要了,為了安撫他,特地讓他擔任「聘僱長」一職,負責決定特殊人才的任用與敘薪(事實證明蕭克利雖然不是個好的領導者,但卻有識人的眼光,幾個經他特別加薪的人,日後都做出重要貢獻,其中有兩位還獲得諾貝爾獎)。

蕭克利的聰明才智對公司實在太重要了,但他的個性缺陷卻是一大問題。圖/wikipedia

然而這個「實則架空」的職位怎麼可能讓蕭克利滿意,尤其幾個比他晚進公司的人竟然官升得比他高,更令他忍不下這口氣,決定請長假以示抗議。

現任貝爾實驗室總裁的凱利當然不願失去蕭克利這樣的頂尖人才,但找他來懇談之後,終於明白這頭亟欲振翅高飛的大鵬,是不可能再委身在貝爾實驗室裡。權不夠大、官不夠高、薪水不夠多,這些人比人氣死人的因素,固然讓蕭克利覺得委屈,但這些都只是導火線,並非是他想離開的真正原因。

當年凱利以創造新時代的使命感,吸引蕭克利加入貝爾實驗室;如今蕭克利算是完成使命,但他顯然並不想功成身退、以此為終。自負的蕭克利想要繼續引領時代前進,這也是為什麼他始終不肯放棄軍方顧問一職,因為參與改變世局的決策,不但充滿成就感,也滿足掌握一切的權力慾望。

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如果說蕭克利所發明的接面電晶體是個掀起革命的火苗,那麼他還想成為舉起火炬照亮前方的帶領者。

但貝爾實驗室畢竟只是研究機構,不做商品化的生意,加上個人的發明按照規定又歸公司所有,即使凱利把總裁讓給蕭克利,他一定仍會覺得有志難伸,終究不會安身立命。

果然,蕭克利在加州理工學院一邊教書、一邊放出打算離開貝爾實驗室的風聲,試探可能的發展機會。許多大型企業與知名大學耳聞後,紛紛提供條件優渥的職位,但蕭克利在得知德州儀器率先推出矽的接面電晶體以及電晶體收音機後,已下定決心要自行創業。

原本在貝爾實驗室負責提煉矽晶體的提爾(Gordon Kidd Teal),跳槽到德州儀器一年多後,就能做出這樣的成績,那麼他蕭克利絕對更能有一番作為。

美國德州達拉斯市的德州儀器的招牌。
蕭克利受到德州儀器與提爾(Gordon Kidd Teal)的刺激,決定辭職、自行創業。圖/wikipedia

蕭克利正式向凱利表明辭意後,凱利除了予以祝福,還主動引介他與洛克斐洛家族會面。其實凱利知道以蕭克利的聲望與人脈,不用別人幫忙,他自己就能找到願意資助他創業的大型企業。

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果然過沒多久,蕭克利就將遇見一位願意投資他成立實驗室的企業主。

補充的知識+

  • 單晶矽的製作

製作單晶矽對於半導體製造來說是個非常關鍵的步驟。我們常聽到的「晶圓廠」,就是負責將沙子中的二氧化矽提煉製作成單晶矽,並且切割成一片片晶圓片後,再送到 IC 製造廠或是代工廠生產半導體晶片。

——本文摘自《掀起晶片革命的天才怪咖:蕭克利與八叛徒》,2022 年 7 月,親子天下,未經同意請勿轉載。

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Intel® Core™ Ultra AI 處理器:下一代晶片的革命性進展
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/21 ・2364字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 Intel 委託,泛科學企劃執行。 

在當今快節奏的數位時代,對於處理器性能的需求已經不再僅僅停留在日常應用上。從遊戲到學術,從設計到內容創作,各行各業都需要更快速、更高效的運算能力,而人工智慧(AI)的蓬勃發展更是推動了這一需求的急劇增長。在這樣的背景下,Intel 推出了一款極具潛力的處理器—— Intel® Core™ Ultra,該處理器不僅滿足了對於高性能的追求,更為使用者提供了運行 AI 模型的全新體驗。

先進製程:效能飛躍提升

現在的晶片已不是單純的 CPU 或是 GPU,而是混合在一起。為了延續摩爾定律,也就是讓相同面積的晶片每過 18 個月,效能就提升一倍的目標,整個半導體產業正朝兩個不同方向努力。

其中之一是追求更先進的技術,發展出更小奈米的製程節點,做出體積更小的電晶體。常見的方法包含:引進極紫外光 ( EUV ) 曝光機,來刻出更小的電晶體。又或是從材料結構下手,發展不同構造的電晶體,例如鰭式場效電晶體 ( FinFET )、環繞式閘極 ( GAAFET ) 電晶體及互補式場效電晶體 ( CFET ),讓電晶體可以更小、更快。這種持續挑戰物理極限的方式稱為深度摩爾定律——More Moore。

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另一種則是將含有數億個電晶體的密集晶片重新排列。就像人口密集的都會區都逐漸轉向「垂直城市」的發展模式。對晶片來說,雖然每個電晶體的大小還是一樣大,但是重新排列以後,不僅單位面積上可以堆疊更多的半導體電路,還能縮短這些區塊間資訊傳遞的時間,提升晶片的效能。這種透過晶片設計提高效能的方法,則稱為超越摩爾定律——More than Moore。

而 Intel® Core™ Ultra 處理器便是具備兩者優點的結晶。

圖/PanSci

Tile 架構:釋放多核心潛能

在超越摩爾定律方面,Intel® Core™ Ultra 處理器以其獨特的 Tile 架構而聞名,將 CPU、GPU、以及 AI 加速器(NPU)等不同單元分開,使得這些單元可以根據需求靈活啟用、停用,從而提高了能源效率。這一設計使得處理器可以更好地應對多任務處理,從日常應用到專業任務,都能夠以更高效的方式運行。

CPU Tile 採用了 Intel 最新的 4 奈米製程和 EUV 曝光技術,將鰭式電晶體 FinFET 中的像是魚鰭般阻擋漏電流的鰭片構造減少至三片,降低延遲與功耗,使效能提升了 20%,讓使用者可以更加流暢地執行各種應用程序,提高工作效率。

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鰭式電晶體 FinFET。圖/Intel

Foveros 3D 封裝技術:高效數據傳輸

2017 年,Intel 開發出了新的封裝技術 EMIB 嵌入式多晶片互聯橋,這種封裝技術在各個 Tile 的裸晶之間,搭建了一座「矽橋 ( Silicon Bridge ) 」,達成晶片的橫向連接。

圖/Intel

而 Foveros 3D 封裝技術是基於 EMIB 更進一步改良的封裝技術,它能將處理器、記憶體、IO 單元上下堆疊,垂直方向利用導線串聯,橫向則使用 EMIB 連接,提供高頻寬低延遲的數據傳輸。這種創新的封裝技術不僅使得處理器的整體尺寸更小,更提高了散熱效能,使得處理器可以長期高效運行。

運行 AI 模型的專用筆電——MSI Stealth 16 AI Studio

除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel® Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門用於在本機端高效運行 AI 模型。這使得使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時節省了連接雲端算力的成本。

MSI 最新推出的筆電 Stealth 16 AI Studio ,搭載了最新的 Intel Core™ Ultra 9 處理器,是一款極具魅力的產品。不僅適合遊戲娛樂,其外觀設計結合了落質感外型與卓越效能,使得使用者在使用時能感受到高品質的工藝。鎂鋁合金質感的沉穩機身設計,僅重 1.99kg,厚度僅有 19.95mm,輕薄便攜,適合需要每天通勤的上班族,與在咖啡廳尋找靈感的創作者。

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除了外觀設計之外, Stealth 16 AI Studio 也擁有出色的散熱性能。搭載了 Cooler Boost 5 強效散熱技術,能夠有效排除廢熱,保持長時間穩定高效能表現。良好的散熱表現不僅能夠確保處理器的效能得到充分發揮,還能幫助使用者在長時間使用下的保持舒適性和穩定性。

Stealth 16 AI Studio 的 Intel Core™ Ultra 處理器,其性能更是一大亮點。除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門針對在本機端高效運行 AI 模型的需求。內建專為加速AI應用而設計的 NPU,更提供強大的效能表現,有助於提升效率並保持長時間的續航力。讓使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時也節省了連接雲端算力的成本。

軟體方面,Intel 與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化。與 Adobe 等軟體的合作使得使用者在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。獨家微星AI 智慧引擎能針對使用情境並自動調整硬體設定,以實現最佳效能表現。再加上獨家 AI Artist,更進一步提升使用者體驗,直接輕鬆生成豐富圖像,實現了更便捷的內容創作。

此外 Intel 也與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化,讓 Intel® Core™ Ultra處理器將AI加速能力充分發揮。例如,與 Adobe 等軟體使得使用者可以在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。為各行專業人士提供了更加多元、便捷的工具,成為工作中的一大助力。

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從真空管到晶片:科技革命的關鍵里程碑
數感實驗室_96
・2024/05/25 ・670字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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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。

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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。

喜歡這系列將影片或有其它想法,歡迎留言分享喔!

更多、更完整的內容,歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab的 youtube 頻道觀看完整影片,並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊!

討論功能關閉中。

數感實驗室_96
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數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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為何電子元件已經做了塗膠防護處理,仍會發生腐蝕甚至導致產品失效?
宜特科技_96
・2023/12/22 ・5635字 ・閱讀時間約 11 分鐘

電子元件發生腐蝕
圖/宜特科技

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!

選對三防膠材材有效 影片
點擊圖片收看影片版

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?

有三防膠塗佈的電路板。圖/百度百科

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……。

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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」?

硫化腐蝕(Sulfur Corrosion):當空氣污染物中含有豐富的硫化合物,會導致許多工業器件上各種金屬與合金材料的表面產生嚴重的腐蝕現象,若伴隨其他氣體污染物的存在,會導致氣體協同效應進而產生不同硫化腐蝕的特徵與機理。富含硫的氣體,如硫化氫(H2S)、環八硫(S8)與二氧化硫(SO2)就是一般常見造成電子設備發生硫化腐蝕的氣體。

爬行腐蝕(Creep corrosion):爬行腐蝕是屬於硫化腐蝕其中一種的失效機理,典型的案例在印刷電路板與導線架封裝元件最為常見。由於裸露的金屬銅接觸到環境中硫化物的腐蝕性氣體,會進行反應生成硫化亞銅(Cu2S)的腐蝕產物,一旦電子產品表面清潔度不佳或環境有氯氣存在時,其固體腐蝕物將會沿著電路與阻焊層/封裝材料表面遷移生長的過程,導致相鄰焊盤和電路間的電氣短路失效現象,我們稱之為爬行腐蝕的失效模式。

印刷電路的爬行腐蝕
印刷電路的爬行腐蝕。圖/Barry Hindin, Ph.D, Battelle Columbus Operations
導線架封裝元件的爬行腐蝕
導線架封裝元件的爬行腐蝕。圖/Dr. P. Zhao, University of Maryland

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。

電路板發生爬行腐蝕及硫化腐蝕失效的照片
(1)與(2)為印刷電路板的爬行腐蝕失效,(3)為導線架封裝的爬行腐蝕失效,(4)為表面貼裝晶片電阻的硫化腐蝕特徵照片。圖/宜特科技

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
保護性中-優
加工與
重工性
劣(氣泡殘留、重工困難)
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
範例
圖/Epoxyset Inc.
圖/Charged EVs
灌封與三防膠處理方法之比較。表/宜特科技

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。

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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。

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常見三防膠相關的國際規範
一般常見三防膠相關的國際規範。圖/IPC-HDBK-830A, IPC-CC830C and IPC-J-STD-001F

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膠材的抗硫化腐蝕能力優異
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
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。圖/宜特科技

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。

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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在硫化腐蝕試驗的耐受性
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在硫化腐蝕試驗的耐受性。
圖/Source: Dem Lee…Et al.,“Evaluation of the Anti-Sulfur Corrosion Capacity for Chip Resistor and Conformal Coating by Way of Flower-of-Sulfur(FoS)Methodology”, International Microsystems, Packaging Assembly and Circuits Technology Conference 2018, Section 28, 2018.

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
電子顯微鏡照片三防膠材A三防膠材B
抗硫化腐蝕的能力
採用相同樣本搭配不同三防膠材料塗佈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。圖/宜特科技

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。

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宜特科技_96
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