Ulasan Buku: Bahan Pelekat Cip Bersuhu Tinggi dalam Pempakejan Mikroelektronik

Oleh: Dr. Kim S. Siow, PhD
Felo Penyelidik
Institut Kejuruteraan Mikro & Nanoelektronik (IMEN), Universiti Kebangsaan Malaysia

Buku pelekat cip ini lahir dari satu jurnal ulasan di Journal of Electronic Materials yang ditulis oleh saya sendiri selaku editor; jurnal tersebut mendapat perhatian penerbitnya Springer-Nature apabila muaturun dan sitasinya melonjak sejak diterbitkan pada awal tahun 2014.  Lalu, Springer Nature mempelawa saya untuk menyunting sebuah buku berkenaan pelekat cip bersuhu tinggi yang digunakan dalam industri pempakejan mikroelektronik.

Buku ini diberi judul Die-Attach Materials for High Temperature Applications in Microelectronics Packaging (Springer-Nature publisher. Pelekat cip ini menyambung cip litar bersepadu kepada subsrat  untuk membentuk sendi dalam modul semikonduktor yang seterusnya digunakan dalam satu sistem elektronik seperti kereta elektrik atau penjana tenaga keterbaharuan. Sistem elektronik ini umumnya dan bahan pelekat cip khasnya perlu beroperasi di persekitaran yang bersuhu tinggi walaupun definisi suhu tinggi masih kurang jelas dalam industri mikroelektronik sebab keperluan yang berlainan di antara pelbagai segmen.

Tambahan pula, kegunaan semikonduktor Jurang Jalur Lebar (Wide Band-Gap <WBG>) yang semakin meluas sejak kebelakangan ini; WBG cuma boleh beroperasi dengan optimum di suhu yang melebihi 200^oC, Satu lagi trend dalam industri pempakejan mikroelektronik ialah perkembangan teknologi yang bersifat mesra alam terutama pelekat yang bebas dari plumbum (Pb) seperti yang ditetapkan oleh undang-undang setempat terutama di negara Europa.  Walaupun pelekat cip merupakan salah satu bahagian semikonduktor yang dikecualikan daripada peraturan bebas plumbum buat masa ini, setiap penyelidikan dan pembangunan teknologi dalam bidang pempakejan mikroelektronik adalah menuju ke arah teknologi mesra alam.

Berdasarkan kepada kedua-dua keperluan ini, yakni operasi suhu tinggi dan bebas plumbum, teknologi pelekat cip alternatif dihadkan kepada teknologi logam tersinter dan fasa cecair fana tersinter.  Logam tersinter merujuk kepada teknologi tersinter yang menggunakan logam tembaga (Cu) dan perak (Ag), walaupun kebanyakan teknologi tersinter di pasaran adalah berasaskan perak. Berbanding dengan tembaga, perak mempunyai lebih banyak kelebihan dari segi konduktiviti terma, konduktiviti elektrik dan rintangan pengoksidaan, dan kelebihan ini membolehkan perak tersinter dapat dikomersilkan dengan lebih cepat dan meluas di pasaran sekarang

Oleh sebab kepentingan ini, tujuh bab dalam buku ini dikhaskan untuk membincangkan pelbagai aspek mengenai teknologi perak tersinter terutama dari segi prinsip-prinsip saintifik, pemprosesan, mekanisme kegagalan, ujian kebolehpercayaan, peralatan dan kajian yang diperlukan untuk melaksanakan teknologi ini secara besar-besaran dalam industri, paten-paten terpilih dan implikasinya. Bab-bab ini juga membezakan teknologi tersinter daripada teknologi aloi pateri yang telah pun digunakan dalam industri  untuk sekian lama. Para penyumbang bab-bab ini terdiri daripada penyelidik dari universiti seperti Universiti Osaka, Universiti Tianjin, Universiti Kebangsaan Malaysia, King College London dan Makmal Tenaga Keterbaharuan Kebangsaan (NREL) di Amerika Syarikat) dan jurutera dari industri semikonduktor seperti Robert-Bosch, On Semiconductor dan Indium Corp. Editor buku ini juga berganding bahu dengan para penyelidik untuk menyumbangkan tiga bab dalam buku ini termasuk satu bab khas untuk paten perak tersinter.

Dalam pada itu, satu bab juga ditulis oleh penyelidik Universiti Daido (Jepun) tentang  tembaga tersinter dan satu bab lagi yang ditulis oleh penyelidik Universiti Purdue (AS) dikhaskan untuk fasa  cecair fana tersinter. Kedua-dua teknologi tembaga tersinter dan fasa cecair fana tersinter memenuhi nic aplikasi tertentu dalam industri dari segi ketahanan terhadap migrasi elektro-kimia. Fasa cecair fana tersinter juga merupakan satu teknologi tersinter tetapi ia menghasilkan satu sebatian antara logam untuk menyambungkan cip dengan subsrat.  Pelbagai jenis sebatian antara logam (cth: Cu-Sn Ni-Sn, Ag-Sn, Ag-Cu-Sn, Cu-Ni-Sn) sudah dikaji tetapi kegunaan sebagai cip pelekat adalah terhad kepada beberapa aplikasi tertentu sebab masalah integrasi dengan peralatan sedia-ada,  ketegasan baki dalam pakej elektronik yang besar dan konduktiviti terma yang kurang daripada logam tersinter.

Kajian aloi pateri dan pelekat polimer yang bersuhu tinggi juga dibentangkan dalam bab terakhir yang ditulis oleh jurutera-jurutera dari Baker Hughes untuk melengkapkan perbincangan teknologi pelekat cip bersuhu tinggi dalam buku ini. Buat masa ini, kedua-dua aloi pateri dan pelekat polimer masih tidak mampu memenuhi keperluan operasi suhu tinggi sebab formulasi polimer dan komposisi aloi pateri masih mempunyai suhu lebur yang rendah, atau kosnya yang terlalu tinggi (contoh: aloi emas-timah Au-Sn) dan prestasi kebolehpercayaan yang rendah.

Dari segi komersil, harga buku “cip pelekat” adalah setara dengan harga buku-buku lain dalam bidang semikonduktor, menjadikannya lebih sesuai untuk dibeli oleh perpustakaan universiti atau syarikat. Syarikat yang berminat dalam buku ini kemungkinan besar adalah terlibat secara langsung dalam bidang pempakejan mikroelektronik yang bersuhu tinggi atau syarikat yang sedang mencari teknologi alternatif untuk menjadi bebas daripada plumbum. Cara buku ini diolah juga menjadikan ia sesuai untuk  dibaca oleh penyelidik veteran ataupun yang baru berkecimpung dalam bidang pelekat cip di pempakejan mikroelektronik. Berdasarkan latar belakang pembaca ini, editor dan para penyumbang bab  dapat memasukkan maklumat terkini di samping menerangkan konsep-konsep asas yang mendokong teknologi tersinter yang kelak akan menjadi tunjang pelekat cip bersuhu tinggi di masa depan terdekat.