李文熙 / 成功大學電機工程學系
被動元件產業在邁向「淨零碳排」的趨勢中，正面臨能源轉型、供應鏈壓力與永續治理的多重挑戰。被動元件產業淨零碳排的主要挑戰為高能耗製程，製造陶瓷電容、電阻等元件需高溫燒結、鍍膜等製程，碳排高、減碳難度大，同時原物料來源碳足跡高，供應鏈跨區域複雜，難以掌握間接排放，尤其是上游原料與下游客戶使用階段的碳排放。因此，被動元件淨零碳排創新技術將針對低碳排原物料，如以卑金屬取代貴金屬，以及縮短目前被動元件的製程，特別是高溫燒結的製程。
本文介紹兩種低碳被動元件創新技術，一是創新低碳電容器技術，由於積層陶瓷電容器(MLCC)中相鄰內部電極之間的距離非常接近，因此可採用直接電鍍鎳(Ni)終端方式來取代現有的浸漬並固化銅(Cu)終端方式，新型Ni終端技術應運而生，同時創新製程可以減少兩道傳統製程，包含端電極銅膏浸鍍與銅膏的氮氣燒結，這對於MLCC不僅可以得到更優異的元件特性，也可以達到低碳的製程。另外，創新低碳晶片電阻器技術則實現在空氣中對銅鎳合金進行燒結製程，取代目前還原氣氛下高溫燒結製程，利用鋁在燒結空氣中極易氧化的特性，來保護底下的銅鎳合金不被氧化，燒結後鋁層形成氧化鋁絕緣層，此氧化鋁絕緣保護層可以取代原先空氣燒結銀鈀合金晶片電阻器的玻璃保護層與環氧樹脂保護層，因此減少至兩層保護層的印刷與熱處理，使創新空氣燒結高熵卑金屬銅鎳合金晶片電阻製程可較原先空氣燒結銀鈀合金晶片電阻製程減少3~4道製程，不僅大幅降低製造成本，也符合淨零碳排的世界趨勢。
【內文精選】
創新低碳積層陶瓷電容器技術
1. 目前積層陶瓷電容器端電極技術
傳統終端層的製作方式是將MLCC浸入厚膜金屬陶瓷複合漿料中(通常由銅粉與玻璃熔劑組成)，並在800~900˚C的氮氣氣氛下燒結，以避免內部鎳電極與銅終端的氧化。燒結後的銅漿會乾燥並再次燒結/燒融於陶瓷體上，使玻璃粒子沿接觸面熔合並擴散至陶瓷內部，從而確保陶瓷本體與終端金屬層之間的附著力。終端燒結完成後會再電鍍一層鎳，以作為阻擋層，防止焊接時電極與基底金屬層的熔解。最後，軍用電容器會電鍍錫/鉛焊料層，而商用電容器則電鍍錫層，以確保元件的可焊性。目前積層陶瓷電容器製程如圖二所示。
圖二、目前積層陶瓷電容器製程
創新低碳晶片電阻器技術
2. 創新低碳可靠度晶片電阻器技術
本研究的核心概念是利用鋁膏作為犧牲層，將其戰略性地塗覆在銅鎳合金的表面。這一設計思路類似於用於防腐蝕的鋼材保護技術。簡而言之，不同金屬被覆蓋在目標材料周圍，由於目標材料的電離勢高於覆蓋層，腐蝕會優先攻擊覆蓋層，從而保護內部材料。
本研究的主要目的是在空氣中燒結過程中，建立一個有效屏障以防止銅鎳合金氧化。這一創新技術在圖十二中有直觀展示，該方法旨在有效減輕空氣氧化對合金的不利影響---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十二、卑金屬合金有/無保護層在空氣中高溫燒結比較
★本文節錄自《工業材料雜誌》462期，更多資料請見下方附檔。