杜正恭實驗室(Duh’s Lab)之研究工作係基植於材料科技之開發與應用，30 多年前在美國所受的訓練是建立基礎材料科學之奠石，如熱力、動力、擴散，輔以電子顯微鏡分析(SEM+EDS)從事材料之鑑定與分析。歸國服務垂 33 年，係以美國所學的為基礎，配合台灣的環境，首先從事鐵鋁錳合金之顯微結構，高溫氧化、氮化機制之研究，建立多元多相合金系統。另外亦著力於電子陶瓷研製與粉體之化學製程開發，帶領學生進入當時非常熱門的 electroceramics ，自bulk material 進展至thick film technology，並開始metallic thin film 及ceramic thin film 的研究。復以自身在Cornell 進修時自行組裝sputtering machine 的經驗帶領學生自group zero 開始sputter、R.F. sputter、reactive sputter、ion beam assisted sputter 的開創路程。

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30 多年來，陸續建立各種thin film mechanical property measurement 的裝置與儀器。另外亦將在hard coating 的研發議題拓展到微電子之metallization issue。20多年前，申請人即從事無鉛焊錫之研發與電子構裝銲點與基材或金屬化層界面反應。在90 年代中期IEEE conference 中係唯一以材料議題發表論文的人，昔日千山我獨行，如今solder joint 的interfacial reaction 的材料議題已是微電子中非常重要的一環，專研者眾，風氣蔚開。

   

近年來之研究領域包括：

(1) 硬膜鍍製與材料之表面改質

(2) 微電子構裝之金屬化與焊點可靠度

(3) 電池材料與奈米粉末

(4) 材料之電子顯微鏡分析與鑑定

(5) 薄膜金屬玻璃之研發

(6) 大汽電漿之開發與應用

   

研究重點在應用材料表面改質技術，以鍍覆硬膜方式改善基材之機械性質、耐磨耗與抗氧化等特性，利用電子顯微鏡之分析技術探討電子構裝中銲錫球與不同金屬化層之界面化應，並以化學製程與表面改質方式研發特殊奈米粉末，開拓多方面之應用，尤其是能源材料的開發。

 

 在研究之深度方面：

(1)以材料議題為主題，開發無鉛銲錫，建立覆晶技術中銲錫球與不同metallization之界面反應的分析技術，最近則全力開發新型的UBM。

(2)復以表面改質開發各種不同硬膜之材料系統，建立硬膜之thin film機械性質量測，尤其是nano-indentation、nano-scratch的分析技術。

(3) 以表面改質技術應用於Li電池粉末之研發，配合奈米級粉末做深入之新材料研製。

(4) 開發磁性薄膜，探討其高頻的特性

 

在研究之廣度方面：

(1) 研究各種不同solder與不同metallization之顯微結構，以熱力學、動力學與擴散研究個中之相變化，並以各式電子顯微鏡SEM、FE-SEM、TEM、EPMA與FE-EPMA建立材料鑑定分析之最佳流程。

(2) 研究CrN、AlN、WN、TiN、(Ti,Al)N、CrN/AlN與多元系統等不同硬膜與無電鍍鎳層Ni-P在不同substrate之改質行為。建立hardness、Young’s modulus與friction coefficient 等各種thin film機性之資料庫，最近悉力於nano-composite與multi-layer的研究。

(3) 研發各種Li電池材料，尤其是奈米粉末之化學製程，並建立不同coating與表面改質應用於奈米粉末之研發製程，範圍擴及電性量測與電化學，並進而以AFM與EC-AFM從事廣泛之研究議題，近年則全力開發高壓的正極材料與新型的負極材料。(4) 以研發之新型磁性薄膜，拓展其在高頻通訊元件之應用性。

   

 近五年來最具代表性之學術創新或應用技術突破可扼述如下：

(1) 建立硬質薄膜的機械性質測試之全方位methodology，結合nano-indentation，nano-scratch與AFM對薄膜之機性做深入的探討，並開發EC-AFM，拓展薄膜於solution中的測試方法。

(2) 塑造微電子構裝中焊錫球與金屬化層的界面顯微結構之分析方法，從試片製作的特殊製程到利用各種電子顯微鏡(SEM，FE-SEM，EPMA，FE-EPMA，與TEM-EDX)建構完整的一套methodology，咸信本實驗室多年來斥資建立的分析儀器組合係為當今學術界最完整的。

(3) 開發無電鍍之技術，尤其是Ni-P的製程，可應用於電子構裝之UBM(Under Bump Metallurgy)，也可用之於硬薄鍍層之Interlayer。近年來更將此技術引申到鋰二次電池之負極材料(anode material)，開發新穎材料的特殊用途。

(4) 開發材料之表面工程(Surface Modification)技術，除了硬薄領域之研發外，亦將此技術推廣至鋰二次電池之正極材料(cathode material)，包括coating與infiltration 的方式，藉著微觀結構之調變改善其電性與相關之電化學的特性。

(5) 研發奈米粉末之各種不同化學製程，可藉添加奈米粉末於無鉛銲料中改善其機械強度，增加焊點之可靠度。復可添加奈米粉末於鋰電池正極，改善其循環性。近年來與美國University of Washington之Prof. A. K. Chung研發nano-amaglam，係以自行研製之Cu6Sn5，Sn-Ag粉末加入傳統amaglam，開發牙科材料之新領域。

(6) 開發奈米複合晶(nano-composite)與多層膜(multi-layer)的氮化物硬膜，提高硬膜之強度與硬度，近年來更專研其抗氧化性、耐腐蝕及耐磨耗的特性，成效特佳。

以上這些新技術的開發與學術上之創見，皆發表於國際上之著名期刊，亦有申請相關專利，可詳見個人之著作目錄。

　

綜上所述，三十年之研究係以材料之表面改質為主軸，探討的方法則分別在製程(process control)、材料系統(material system)、形貌與構造(morphology and architecture control)及微觀結構(microstructure control)等方向做專研。

　

在process control中，先開發無電鍍與電鍍技術於薄膜鍍覆領域(coating)，繼則將此技術應用於電子構裝領域(electronic package)之surface finish與UBM，又將無電鍍技術延伸至能源材料鋰電池負極Sn-containing合金系統。

　

於morphology與architecture control中，開發core-shell的Sn alloy做為鋰電池負極材料，進而再研發meso-porous的LiNiMnO正極與LiTiO負極。另外，近年來在coating領域，積極開發nanocomposite與multilayer，同樣地可將nanocomposite的理念應用於高頻磁性薄膜，進而研發multi-layer磁性薄膜，以增加其電阻，降低磁損耗，效果頗佳。

在composition control 中，無錫銲料主要以Sn為主，以實驗室多年研究Sn的經驗，進而開發Sn-containing的鋰電池負極材料。電子構裝有Cu6Sn5的IMC，本實驗室可利用濺鍍方式研發Cu6Sn5於鋰電池材料，亦可將Cu6Sn5的奈米粉末與牙科材料結合開發嶄新的nano amalgam，提供牙醫師一種新穎的補牙材料。

　

另外在process control 中，本實驗可利用電鍍、無電鍍與濺鍍(Sputtering)研製各種coating。同樣的技術組合可應用在電子構裝之surface finish與UBM之設計，亦同樣利用無電鍍與濺鍍之組合於鋰電池正極與負極材料之研發。2001-2011十年間執行經濟部學界科專計畫之磁性薄膜研製亦是coating領域二十多年在濺鍍之成果的另一次延伸。

以上所有的研究議題，可藉由本實驗室齊全的電子顯微分析儀器，透過微觀結構與材料特性的correlation 做串聯。易言之，本實驗多年的研究精華係建立多元化的核心技術(core technology)，包括製程、材料與電子顯微分析等，結合微觀結構的深入探討與對各種材料物、化、光、電、磁、機等特性之量測，進而架構整合性之技術(integrated technology)延伸於不同層面之薄膜鍍覆(coating)、電子構裝(electronic package)、能源材料(energy material)與磁性材料(electromagnetic material)的開發與應用。