軟性高介電混成基板材料

 

刊登日期:2014/7/17
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因應開發新型軟性電子產品, 不論在3C產品(如NB、手機、平板、數位相機)、照明、大型LED顯示看板等,都應具備輕薄、堅固、可撓曲、低成本、低功耗以及架構簡單的特性來符合未來智慧生活需求,所以對下一代軟性基板材料將特別強調高介電特性,其良好的高介電特性有利增加電容密度提升、降低驅動電壓的能力。在電場驅動元件中,高介電基板材料不僅可以當作絕緣層使用,更能提供高電場效益給元件,大幅度有效降低元件跨壓,因此,基板材料的厚度與介電特性(Dk)將會有非常高的要求。

鈦酸鋇(BaTiO3)是一種價格便宜、供應量穩定,而被廣為使用的高介電陶瓷材料,其Dk值約為3,000~8,000;但是BaTiO3脆性高,加上在後段製程上需要高溫燒結,無法有效應用在有機基板或PCB製程上。通常必須改用BaTiO3陶瓷粉末混合有機高分子材料,配合各種薄膜技術,回歸一般基板的製程後,才可同時兼顧製程可行性與材料特性。但是一般高分子的Dk值極低(2~3),所以這些材料通常無法應付現今的高階需求,因此開發新的高介電基板材料或是藉由表面改質來提升現有材料的效能已是刻不容緩的課題。除此之外,為了滿足輕薄、大面積、曲面、不規則形狀之需求,軟性基板材料的技術開發將是決定模組成功的關鍵因素。本文將針對目前國際上相關高介電基板材料做一介紹。

高介電基板材料介紹
表一整理了各類型的組成,隨著陶瓷和高分子的比例不同,展現的介電常數也各有變化,但其主要還是以添加高比例無機物來提高介電常數特性,也因為含有大量的無機物,其無機含量均>70 wt%,導致其薄膜特性撓曲度、透明度不佳,無法符合軟性高介電基板的應用需求。

1. AIST
AIST開發的透明軟性有機/無機混合Clay薄膜,所得到的薄膜在可見光區域具有優異的撓曲性和光學透明性(圖一)。由於其獨特的奈米結構中包含片狀的Clay和堆疊的高分子鏈段(圖二),使得薄膜具有高度的柔軟性和穿透度。其機械特性和光學方面,抗張強度(Tensile Strength)可到25 MPa,延伸率(Elongation)為1.8%,可見光透光度達90%。與市售的聚醯亞胺相比,隨著無機Clay的添加,確實可提升各方面的物理性質,其中介電常數可提升到6.3,相關整理如表二。


圖二、 AIST Polymer/Clay薄膜示意圖

工研院材化所新開發之軟性高介電基板材料
1. 高溫高介電材料開發(≧200˚C應用)
為符合軟性基板材料需擁有良好的高介電特性,目前最常被使用的方法就是添加高介電常數的無機粒子到有機高分子中來提高混成材料的介電特性,一般聚醯亞胺具有耐熱性、高機械強度等優點,可廣泛應用在電子元件及半導體工業中,因此目前材化所針對不同製程需求(溫度、透明度),利用不同聚醯亞胺單體結構設計,搭配工研院自有的有機/無機混成技術,已開發不同特性的基板材料來因應各種商品需求,相關技術特性如表四所示。以下將針對透明無色基板、耐高溫不黃變低色偏基板及高溫黃色基板做介紹。

(1)透明無色高介電基板
一般高介電無機粒子本身密度較大,若粒徑太大會使聚醯亞胺基板與高介電無機粒子有分散不佳及沉降的問題(圖四),因此如何透過介面的調控和無機粒子的改質成為最大的技術困難點。目前工研院材化所已開發透明無色基板,其耐熱性可符合(Amorphous Silicon; α-Si) TFT-LCD製程需求,在220˚C製程下可得一透明軟性高介電混成基板(圖五),其膜厚37 μm、色偏值約0.7,介電常數經無機粒子的添加可提升到9,而且由TEM照片(圖六)可看出高介電粒子均勻分散在聚醯亞胺內,並無聚集與沉降之現象發生,代表有機/無機混成技術介面控制相當理想……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。


圖四、(a)聚醯亞胺基板與高介電無機粒子分散不佳;(b)聚醯亞胺基板與高介電無機粒子沉降的問題

作者: 郭育如、蘇俊瑋、謝孟婷、呂奇明/工研院材化所

★本文節錄自「工業材料雜誌331期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=14960

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