｜大氣壓電漿於金屬表面還原之應用

摘要：金屬雙極板具有低成本與高機械強度的特性，但是質子交換膜燃料電池的金屬雙極板因為操作在溫度較高的硫酸環境中，所以金屬板會遇到腐蝕的問題。透過雷射披覆碳膜於金屬雙極板上可提供抗腐蝕之保護。

Abstract: Metal bipolar plates have low cost and high mechanical strength properties. Because the PEMFC works at a high temperature and sulfuric acid environment, the metal plate encounters corrosion issues. The metal plates can be protected from corrosion by laser carbon film cladding.

關鍵詞：大氣壓電漿、金屬氧化物還原、封裝製程

Keywords：Atmospheric pressure plasma, Metal oxide reduction, Packaging processes

前言
在金屬冶金的製程，溫度為進行反應的必要條件之一，以傳統的鐵冶煉過程中，要獲得金屬鐵，就得從自然界中常見的赤鐵礦（Fe2O3）、磁鐵礦（Fe3O4）中以活性較大的物質反應產生還原效果而取的金屬鐵。常見的反應物質，就是藉由燃燒焦炭在高溫缺氧環境下反應形成的CO作為還原劑，使氧化鐵還原。

Fe2O3+3CO3CO2+2Fe。以此方法或的鐵，其含碳量可能過高而需要再經過去除C的動作，才可獲得鋼。因此，在傳統的冶煉製程中，多重的手續是必要的。由傳統的冶煉製程來看，高溫以及還原物是將氧去除的必要元素。而熱電漿具備的高溫，再加上處理氣氛的控制，便成為一種新的金屬還原方式[1]。

電漿，常稱為物質的“第四態”，是氣體部分離子化，電漿中包含了帶電的粒子如離子、電子以及中性的物種如自由基、亞穩態、以及氣體分子等。通常，電漿可依據電子、離子以及氣體的溫度，定義成熱電漿以及非熱電漿兩類。熱電漿是離子化程度較高的電漿，其電子溫度與離子以及中性氣體分子的溫度相同；而非熱電漿（又稱為冷電漿），電子溫度遠高於離子或氣體的溫度。

利用熱電漿來還原金屬，其主要還原的過程為電漿使金屬氧化物分別解離為金屬原子以及氧原子，而後氧原子與還原氣體反應去除後，就可得到金屬的原子。在此反應中，常用的還原氣體為H2。反應方程式為Fe2O3+3H2Fe+3H2O。基本上，單一步驟就可有效率的獲得金屬鐵，而且，其反應的副產物為H2O，對於環境的衝擊相對也小，因此也成為金屬冶金的選項之一。除了鐵之外，其餘的金屬氧化物，如氧化鋁、氧化鎢、氧化鉬或者金屬的鹵化物等，均有文獻使用熱電漿進行還原的處理[1]。然而，若高熱為必要的條件，那電漿的應用就僅止於金屬的冶金。因此，在電漿處理的應用上，也朝向低溫的冷電漿還原系統發展[2]。此系統的優勢，即在於可在相對低溫（與熱電漿相比，冷電漿雖電子溫度仍有上千度，但電漿整體溫度可控制於室溫至數百度）的情形下，藉由電漿產生具有高反應性的氫原子、激發態的氫分子或者氫的活性反應物種，而與表面的氧反應脫離金屬表面而產生還原的效果。

在目前的電子元件中，銅因為其價格便宜、良好的導熱導電特性而作為導電層、導電線路、接點等用途。然而，銅暴露在環境中，易與空氣中的氧氣或水氣反應形成氧化亞銅（Cu2O，溫度<200℃時產生）或氧化銅（CuO，溫度>200 ℃時產生），CuxO厚度隨溫度及壓力變化，Cu （OH）2、CuCO3等氧化物也可能因空氣中的CO2以及水氣的化學吸附作用，產生於Cu2O或CuO表面[3]，導致導電、機械性質的劣化以及錫焊的假焊、空焊等。由於電子元件單元的尺寸越來越小，連接兩單元的接觸點或面，成為影響電性以及元件可靠的重要因素。因此元件暴露於空氣中或製程中而形成的有機汙染物、油脂以及金屬氧化物，對於產品的可靠度有實質的影響，須設法移除。M. R. Baklanov等人以真空電漿系統產生氫氣電漿，配合基板加溫的情形下，可使氧化銅還原成銅[4]，而T. Usui等人則採用NH3、H2電漿去除銅的氧化層，其證實還原處理可提升電子的遷移率以及銅與介電擴散阻障層之間的附著力[5]。在封裝製程中，包含固晶、打線製程，均必須要有一潔淨的表面，以避免因表面汙染造成固晶、打線強度不足，而產生晶片、導線剝離或因間隙造成濕氣侵入造成電性下降或甚至喪失功效的結果，因此如何透過清潔與保護以提升產品良率及可靠度，成為高功率元件封裝製程急需突破的要點。目前，真空還原設備已用於PCB產業的錫焊前接點還原處理、LED導線架還原清潔處理、IC封裝製程的固晶打線前處理、LED面板電極表面清潔還原處理、高功率power IC固晶打線前處理等等。

真空還原製程雖已廣泛的被業界應用，但因需要在真空下運作，因此在樣品處理時，常以批次處理的方法進行，樣品傳輸以及等待抽取真空的時間較長；在批次處理時，樣品在治具上多層層疊，電漿的均勻度控制困難。此外，由於目前待處理的樣品尺寸越來越大，腔體的電漿電極以及內部空間尺寸成為處理上的限制。因此，許多的文獻開始提及大氣中達成還原效果的可行性[6-9]。工研院機械所在近年來，積極發展大氣壓電漿還原處理系統，運用還原氣體的添加，達成金屬表面還原處理的功效。大氣壓電漿還原製程的優勢在於：a.乾式電漿製程，無需使用溶劑，減少環境衝擊；b.機台彈性大，搭配移動平台，可達成選區處理且可配合封裝裝置進行機構調整及產線整合；c.無須建置真空製程設備以及抽氣等待時間；d.設計氣體混合管道提供多種製程氣體以增加反應性縮短製程時間完成表面清洗及金屬氧化物還原處理。以下，將就工研院開發的大氣壓電漿還原系統加以說明。