盧俊安 / 工研院材化所
被動元件產業成為支撐我國ICT產業蓬勃發展之關鍵之一。隨著AI、5G及自駕電動車之發展，對於被動元件之需求日漸提升，但同時2050年淨零碳排目標，帶給被動元件產業嚴苛的挑戰與限制，如何降低生產排碳量與生產所需之能耗，成為各被動元件產業之最大挑戰。為求國內被動元件產業永續發展，保持我國在資通訊領域之產業競爭力優勢，適時投入被動元件產業淨零碳排相關技術，成為當務之急。
【內文精選】
被動元件產業碳排放概況
電容、電阻、電感為被動元件三大主力產品，其多半採用積層陶瓷元件製程技術為主。而村田製作所預期於2050年達到全再生能源化，僅能解決其2,785 GWh之能耗問題，對於其排放部分則需投入相關解決方案與技術來達到淨零減碳目標。
由圖二MLCC積層陶瓷元件前段製程流程顯示，從Scope 1方面探討，被動元件製程生產中排放之廢氣、水等，主要來自於幾個階段之製程，包含前端上游陶瓷原料粉體之處理，涵蓋研磨、分散及水洗乾燥等，製程中反覆的研磨與水洗，研磨部分除用水外，部分製程使用乙醇等溶劑；更有部分產品線，其上游原物料會使用化學合成技術進行原材料調製，產生之化學溶劑汙染等皆有產出。而粉體處理後之熱處理乾燥製程產生之廢氣等，目前國內廠家多採用燃燒塔配合活性碳吸附方式，避免VOC的產生。然這些製程過程之直接CO2排放，間接提高整體產品之碳排放量。另一方面，積層陶瓷製程中，多使用有機分子作為黏結劑以利元件成型，此一部分在中段製程中，皆利用高溫約300~500˚C之間通氣進行燒除，燒除後之氣氛，再通入燃燒塔使用瓦斯進行燒除，產生之碳排放量具有一定比例。
圖二、MLCC積層陶瓷元件前段製程流程圖
其他部分，包含電極印刷之乾燥、網版清洗、陶瓷漿料濃縮、桶槽清洗等，皆有相關廢棄溶劑之產生，衍生後端廢水、廢氣之處裡。另一部分，漿料、生胚邊料、下腳料、使用過之PET承載片、導角後廢棄物及切割後邊料等，牽扯大量的廢水、廢氣及汙泥等處理問題，相對皆提高Scope 1中之碳排放量。
各種新興被動元件淨零減碳技術
由圖六積層型被動元件製程流程與能耗表現為例，從粉體配方開始討論，傳統固相法製程採用不同氧化物運用球磨方式進行混合，混合後進行粉體乾燥，乾燥後進行粉體高溫煅燒成相，煅燒後再進入研磨，調整粉體尺度範圍並解其高溫煅燒凝團等，研磨後可採噴霧乾燥技術收集與分級粉體，過程中大量使用乙醇或水進行研磨與水洗等製程。而現有淨零減碳技術目標鎖定降低水與溶劑之使用量，另一方面則降低煅燒所產生之能耗問題。在成相上目前較成熟之技術屬於離子化摻雜技術，運用摻雜元素離子化方式，降低煅燒所需之溫度，並可以達成良好的化學計量比，避免尺度過小的氧化物導入，增加固相反應之分散困難度；另則是使用物理方式將其中一成分被覆於另一氧化物成分上，再藉由後續退火製程來達成所需之成分相，這部分技術適用於燒結助劑之物理被覆方式，可大幅降低濕法技術中之溶劑、水及乾燥所需之處理能耗，同時縮短燒結溫度與時間，降低後端製程所需之能耗。另一部分，相關電感或具有能階之陶瓷粉體，目前部分產業則採用快速微波煅燒方式達成，運用爐體旋轉與微波輔助燒結方式，達到縮短粉體煅燒時間與溫度。
圖六、積層型被動元件製程流程與能耗表現
因應積層陶瓷成型技術，陶瓷粉體會運用高分子黏結劑(PVB、PVA、壓克力及纖維素等)與溶劑(乙醇、甲苯、酯類)之組成，形成陶瓷漿體(Ceramic Slurry)，再運用刮刀、澆注、Dipping及印刷等方式進行積層成型。而後運用高溫對高分子黏結劑進行燒除(De-binder)，但高分子黏結劑經過高溫裂解後，大多裂解形成二氧化碳排放於大氣當中。隨著淨零減碳之需求，加上粉體尺度逐漸縮小，故低碳排放之小分子黏結劑或無溶劑型黏結劑等材料技術值得關注，部分技術並著重於可回收應用式黏結劑亦為解決方案之一。
而去除黏結劑的技術亦有所精進，運用過熱水蒸汽(Superheated Steam)方式，藉由高溫水蒸汽裂解陶瓷坯體中之黏結劑技術。傳統熱裂解方式，高分子黏結劑多半會裂解成為CO2等相關廢氣排放，而使用過熱水蒸汽方式，可將黏結劑裂解成碳氫化合物(CH3CHO、C2H5CHO等)，後端經過處理將水氣與碳氫化合物進行分離，達到無碳排放與水氣再運用等減碳優勢---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》431期，更多資料請見下方附檔。