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研究生： 陳聖凱
論文名稱： 功能性銅複合層之電鍍技術開發
Development of functional copper composite layer by electroplating technique
指導教授： 楊啟榮
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 機電工程學系
Department of Mechatronic Engineering
論文出版年： 2011
畢業學年度： 99
語文別： 中文
論文頁數： 66
中文關鍵詞： 發光二極體 、複合電鍍 、氧化鋁 、熱膨脹係數
論文種類： 學術論文
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    • 由於銅具高導電、高導熱等優點，被廣泛應用在工業界，但其硬度低、熱膨脹係數高，因此應用範圍受限，故本研究以低成本之複合電鍍技術來沉積銅複合層，增加銅之硬度，降低熱膨脹係數，提高其機械性質。具導電基材之垂直結構型發光二極體(vertical LED, VLED)，由於不再受制於導熱性差且絕緣的藍寶石基板，被認為可承受較大的電流密度，可製作較大的元件尺寸與較好的散熱效能，故可實現高功率與高散熱性LED的目標。VLED元件導電的基材，目前是以銅電鍍製程與GaN層做結合，但銅(16.6×10-6/℃)與GaN (3.17×10-6/℃)兩種材料間的熱膨脹係數差異較大，在後續製程遇到有關升降溫的過程，容易造成銅基材的翹曲、收縮或膨脹變形，造成元件製作的困難與良率受到限制。
    本研究藉由複合電鍍技術，在銅電鍍液中加入鑽石、氧化鋁粉末，再挑選較適合的分散劑及鍍液組成，進行不同參數之測試。研究結果顯示，添加1 m之氧化鋁粉末，雖然鍍層有明顯氧化鋁共沉積，但鍍液中氧化鋁粉末會發生嚴重沉降之現象，因此改選用奈米氧化鋁粉末進行研究。在使用奈米等級之氧化鋁粉末後，一開始鍍層雖有顆粒團聚之情形，但在使用均質機攪拌後，可明顯看出顆粒分散的效果，且在15奈米氧化鋁濃度5 g/L，電流密度10 A/dm2，分散劑Chitin 0.4 wt.%時，鍍層硬度可達146 Hv，相較於純銅硬度84 Hv，鍍層硬度約提升74%。未來將檢測鍍層之熱膨脹係數、熱傳導係數及導電率等特性，並評估應用於垂直結構發光二極體之可行性。

    總 目 錄 摘 要 Ⅰ 總目錄 II 表目錄 IV 圖目錄 V 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 微機電系統簡介 2 1.3 發光二極體(LED)發展之必要性 5 1.3.1 傳統結構發光二極體 5 1.3.2 垂直結構發光二極體 6 1.3.3 傳統LED與VLED之比較 6 1.4 複合電鍍材料 11 1.4.1 複合鍍層之簡介 11 1.4.2 複合電鍍之介紹 12 1.5 研究動機 15 第二章 背景介紹與文獻回顧 16 2.1 電沉積的基本原理 16 2.2 複合電鍍共析理論 21 2.2.1 二階段吸附理論 21 2.2.2 五階段吸附理論 21 2.3 析鍍中的粉末特性 24 2.3.1 粉末表面特性 24 2.3.2 溶液中粉末分散現象 25 第三章 實驗設計與流程 28 3.1 實驗規劃 28 3.2 銅複合層之電鍍 28 3.2.1 電鍍製程前處理 28 3.2.2 哈爾氏槽試驗 29 3.2.3 小型電鍍槽電鍍試驗 31 3.3 鍍層成分分析與量測 31 3.3.1 掃瞄式電子顯微鏡 31 3.3.2 能量分散式光譜分析儀 32 3.3.3 表面粗糙度量測 32 3.3.4 熱機械分析 32 第四章 實驗結果與討論 35 4.1不同分散劑之哈爾氏槽測試 35 4.1.1分散劑測試 35 4.1.2 Chitin分散劑之小型槽體測試 36 4.2 Al2O3奈米粉體之電鍍測試 46 4.2.1 陰極試片位置測試 46 4.2.2 奈米粉體分散 47 4.3 Cu/Al2O3鍍層硬度分析 54 4.3.1 電流密度對複合鍍層硬度之影響 54 4.3.2 鍍液中氧化鋁濃度對複合鍍層硬度之影響 54 4.4共沉積Cu/Diamond複合層 58 第五章 結論與未來展望 62 5.1 結論 62 5.2 未來展望 64 參考文獻 65 表 目 錄 表 1-1 微機電領域中微製造技術分類表 4 表 1-2 各國燈源的節能環保政策 7 表 1-3 傳統LED與新型VLED之結構與特性比較 10 表 1-4 常用金屬鍍層與複合材料微粒 13 表 4-1 EDS成分分析所得到之Cu/Al2O3鍍層中元素比例 45 表 4-2 平行電極鍍層之EDS分析元素比例 49 表 4-3 垂直電極鍍層之EDS分析元素比例 53 圖 目 錄 圖1-1 傳統藍寶石基板之發光二極體結構 8 圖1-2 金屬基板之垂直發光二極體結構 9 圖1-3 擴散熱阻與熱傳導係數關係示意圖 14 圖2-1 電化學沉積示意圖 20 圖2-2 二階段吸附示意圖 23 圖2-3 五階段吸附示意圖 23 圖2-4 不同顆粒材料在不同pH值之界達電位 27 圖2-5 界達電位示意圖 27 圖3-1 實驗流程示意圖 33 圖3-2 哈爾氏槽試驗設備 34 圖3-3 小型電鍍槽試驗設備 34 圖4-1 分散劑FC-134不同添加量之SEM圖：(a) none；(b) 50 M； (c) 100 M；(d) 150 M；(e) 250 M；(f) 300 M 38 圖4-2 分散劑CTAB不同添加量之SEM圖：(a) 100 M；(b) 150 M；(c) 200 M；(d) 250 M；(e) 300 M；(f) 600 M 39 圖4-3 分散劑Chitin不同添加量之SEM圖：(a) none；(b) 0.2 ml/L；(c) 0.4 ml/L；(d) 0.6 ml/L；(e) 0.8 ml/L；(f) 1 ml/L 40 圖4-4 分散劑Triton-X不同添加量之SEM圖：(a) 0.2 ml/L；(b) 0.4 ml/L；(c) 0.6 ml/L；(d) 0.8 ml/L；(e) 1 ml/L 41 圖4-5 分散劑SDBS不同添加量之SEM圖：(a) 50 M；(b) 100 M；(c) 150 M；(d) 200 M；(e) 300 M 42 圖4-6 不同區域之Cu/Al2O3鍍層的SEM影像觀察 43 圖4-7 10 A/dm2電流密鍍下Cu/Al2O3複合鍍層之成份分析 44 圖4-8 平行電極測試之Cu/Al2O3複合鍍層 48 圖4-9 平行電極之鍍層EDS分析 49 圖4-10 垂直電極之Cu/Al2O3鍍層的SME影像 50 圖4-11 垂直電極鍍層之EDS分析 51 圖4-12 使用均質機攪拌鍍液後之鍍層SEM圖：(a) 10000倍 (b) 20000倍 53 圖4-13 不同電流密度下不同氧化鋁濃度與硬度之關係 56 圖4-14 不同電流密度下，不同氧化鋁濃度對硬度之關係 57 圖4-15 分散劑Chitin不同添加量之SEM圖：(a) 1 ml/L；(b) 1.2 ml/L；(c) 1.4 ml/L；(d) 1.6 ml/L；(e) 1.8 ml/L 59 圖4-16 Cu/Diamond複合鍍層之成份分析 60

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