新型薄型電容材料技術

 

刊登日期:2020/9/5
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謝孟婷、蘇俊瑋/工研院材化所
 
隨著攜帶式與穿戴式裝置朝向輕量化發展,且整合高頻高壓應用,未來產品所需之電容元件數量將大幅增加。薄型電容元件具有輕量化、小型化之優勢,在高密度組件安裝情況裡,更易於整合產品功能。而新薄型材料的開發更有助於提升電容值、耐電壓性、耐溫性及高頻特性,滿足對產品微型化、訊號傳輸高速化之需求。
 
【內文精選】
前 言
近年來攜帶型智慧裝置與穿戴式(Wearable)科技均朝向輕量化發展,電子零組件設計微型化也成重要趨勢,不停追求體積更小、效能更好的被動元件,且因產品功能越來越多元、複雜,被動元件具有多功能整合、薄型化、輕量化和軟性(Flexible)等特色成為發展重點。
 
ReportLinker指出,到2027年全球電容器(Capacitor)市場將達到235億美元。2020年雖遭遇COVID-19危機,電容器的全球市場估計將可達到188億美元,預計到2027年將達到235億美元的修訂規模,在2020~2027年期間的複合年增長率為3.2%。美國市場估計為51億美元,而中國預計將以5.9%的複合年增長率成長;超級電容器預計其複合年增長率將達到3.8%,達到92億美元,陶瓷電容的增長被重新修正為3.3% CAGR。
 
薄型電容材料技術介紹
電容器類型主要包括陶瓷電容、鋁電解電容、鉭電解電容、薄膜電容四種類型外,還包括超級電容器。除了元件結構調整外,新材料的開發更有助於提升電容值、耐電壓性及高頻特性,產生效能更好、多樣化之電容器。
2. TDK–Thin-film Capacitor
TDK所開發的TFCP (Thin-film Capacitor)為保有陶瓷材料良好之去耦合特性,並同時保有可撓曲性,以高純度的鎳箔作為底部電極。透過獨有的濺鍍方法於鎳箔上形成無缺陷的鈦酸鋇介電薄膜,上部再疊加銅電極層,形成在兩個薄金屬層之間夾有一層超薄介電層之結構,厚度僅0.6 μm,如圖三。TDK的特有材料和製造方法使鈦酸鋇介電層擁有高結晶度,相對介電常數高達1,000,電容量可達1.0 μF/cm2,元件整體厚度僅50 μm。由圖四可知,其擁有強抗彎曲性,適合作為內埋元件,減少表面所需之去耦合電容,目前仍致力於研發電容量可達10倍之產品。
 
圖三、TDK之Thin-film Capacitor結構示意圖
圖三、TDK之Thin-film Capacitor結構示意圖
 
5. BSA MIM Capacitor
National Institute of Science and Technology, India團隊,於《Applied Physics Letters》上發表以牛血清白蛋白(Bovine Serum Albumin; BSA)作為介電層,製作MIM (Metal-Insulator-Metal)結構之軟性電容器元件的實驗結果。牛血清白蛋白是由多肽鏈組成血清白蛋白,約包含583個胺基酸基,不僅具有一般有機材料之製程簡單、可量產及軟性機械特性,更可應用於可生物降解之電子電路中,降低具有生物相容性之電子產品的成本。
 
BSA電容元件之電性量測整理於圖十。由圖十(c)可知,BSA材料之Dissipation Factor隨著頻率增加,代表此材料之介電損耗(Dielectric Loss)增加,於200 kHz以下可小於1,因此在這個頻率範圍下使用是更方便的。也可看到,在恆壓3 V和5 V時,電容變化(%)隨應力時間的增加而增加,起因於BSA薄膜和電極之間的捕獲電荷效應,如圖十(d)所示。10年壽命之外推值可達0.99,BSA MIM電容器具有強大之應用潛力。
 
BSA薄膜由於其高延展性,在不同半徑的反復彎曲過程中顯示出合理的高機械柔韌性。在1.05 cm的較高彎曲半徑下,經過1,000次彎曲後,電容密度增加到0.66 fF/μm2,導致上升因素可能為膜層反復延伸,導致厚度薄化。彎曲半徑進一步減小到0.75 cm,會使電容值逐漸減小到0.14 fF/μm2。數據如圖十一所示。
 
圖十一、BSA電容元件彎曲時之電性
圖十一、BSA電容元件彎曲時之電性
 
工研院材化所開發之電容材料
工研院材料與化工研究所開發之軟性電容材料為有機混合高介電無機粒子之系統。將改質後之高介電常數無機粒子混入低介電損失分散劑,可調整無機粒子之比例,藉以提升整體材料介電常數。無機粒子表面改質,影響與分散劑之界面作用,不相容時反而使Df值上升,挑選吻合分散劑特性之改質劑,才能在維持一定介電損耗的情況下,也可維持高介電常數。
 
表一為材化所開發之軟性電容材料規格。在1 kHZ下量測,介電常數提升至約33,介電損失為0.02,額定電壓為50 V,靜電容量為3.06 nF/cm2。在150˚C/1 h測試條件中,其尺寸變化率為0.12%,尺寸安定性佳…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》405期,更多資料請見下方附檔。

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