陳凱琪、湯士源、林甘軒、莊貴貽、陳芃/工研院材化所
NEPCON 2020已進入最後一日的展出,然而來自各地的參觀者似乎仍意猶未盡,一如前兩天的盛況,人潮持續不斷湧入東京國際展覽館。
圖一、電扶梯上滿滿人龍,切換在NEPCON各個不同展場之中
觀察今年的展會,其實可以嗅到一些不同之處。就外在環境而言,全球保護主義的興起,貿易戰預計仍將是2020年度的主軸,在此之下產生的供應鏈遷移,短期將可能產生兩個截然不同的面向:一方面是投資的不確定性,導致部分產業的停滯;另一方面,消費性電子產業的供應鏈重組,將對設備採購、製造技術等產生大規模的新機會。
在重點技術方面,無論是電子產業或是汽車應用,甚至於智慧製造,都圍著5G的議題(圖二),進行不同面向的解讀與發展。很明顯的,5G是電子產業發展的重要推動引擎,也是自駕等智慧科技的基礎,以此帶動的各類型製造業、服務業應用,將有可能為世界寫下新貌,在NEPCON 2020中,對5G的應用與願景也有諸多的勾勒。
圖二、NEPCON 2020舉辦多場5G相關研討會,均吸引大批聽眾
展場巡禮
同時,在今年NEPCON展中,有一區塊專門展出輕量化材料,其主要應用載具為汽車。由於全球暖化效應和先進國家開始制定相關碳排放法令規定,如歐盟提出的碳排放減量計畫,希望2025年較2021年減少15%、2030年減少30%。
據估計,車體若每減重10%,燃油效率將可提高6~8%,有助於節能減碳。另一方面,在EV的應用上,輕量化也有助於更遠的行走距離。因此,未來的汽車用零組件,均將朝向更高強度、更輕、高穩定性和更易組裝等特性進行開發。
今日大多數車輛的車體都使用鋼材,一台車上的輕量化材料大概只占三成左右,在材料改變進程上,現階段以高強度鋼及鋁合金的發展較為快速,其他還有玻璃纖維或碳纖維複合材料等也在成長之中。
會場中最顯眼的,就是日本碳纖複材大廠東洋紡(TOYOBO),其透過一台概念車(圖三),實際展現該公司的各種材料應用。這台電動車90%以上由碳纖複材所打造,包括:車身骨架、駕駛座椅、輪胎框架和電池設備模組等,可減輕車重30%以上。
圖三、東洋紡展出的輕量化概念車,運用該公司各式材料構築而成
輕量化材料最基礎的需求是高耐熱樹脂系統,東洋紡採用Poly amide,透過結構設計可調整出不同的耐熱溫度系統,其中最低耐熱溫度為140℃,型號代表PA6GF,最高耐熱溫度可達220℃以上,型號代表PPSGH。在耐溫測試實驗中,HR-PA66GF能在高溫200℃經過2,000小時,表面只產生0.2 mm劣化層,具有相當高的熱穩定性,符合車用標準,其特性如圖四所示。
圖四、東洋紡開發不同種類耐熱樹脂,應對不同車用需求
同時東洋紡也推出具有如同金屬強度的碳纖複材,主要是透過強化碳纖的排列方式和提高添加的比例,使其占總材料40~50%含量,來達到高強度特性,最大耐荷重1,000 N以上。用來混合的樹脂材料可以是PP和PA6,使其可以容易加工成形,以製造出不同形狀的部件,圖五即為用此系列材料製作的輪框。
圖五、東洋紡的高強度碳纖複材,可使用PP或PA6進行混合
最後東洋紡也針對未來電動車ECU所需具備高散熱特性,開發出高導熱性複合材料,此類產品可分為兩類:一類為導電性導熱材料,導熱係數最高可達13.2 W/m‧K;另一類則是絕緣性導熱材料,最高導熱係數為3.8 W/m‧K。
東洋紡表示,本技術是透過纖維表面處理和熱模擬來達到高導熱係數材料,如圖六所示。在熱模擬系統中可看出纖維和樹脂的熱擴散趨勢,經熱數據分析得到最佳化複材的排列結構。由此也可看出,未經改質的材料散熱效果會低於改質後的材料。
圖六、東洋紡開發絕緣/導電兩類散熱材料,應用於EV
在封裝方面,JXTG Nippon Oil & Energy Corporation展出多種產品。JXTG從上游的石油原料精製生產許多化學品,包括:碳素材料、耐熱材料、彈性材料、奈米級到微米級材料,以及生醫相關的材料等。除脂環族樹脂之外,JXTG因應5G應用而開發低介電、低黏度的環氧稀釋劑,主要應用在高速傳輸基板,EEW為242 g/eq.,能溶於環氧樹脂與大部分有機溶劑,與一般環氧樹脂一樣,選用酸酐做為硬化劑,介電常數(Dk)較原本的2.84低,僅為2.47。
JXTG展出的另一項技術為液晶高分子,具有低介電與低介電損失特性,主要應用於射出模封(Inject Molding)製程(圖七),JXTG的液晶高分子產品XYDAR主要應用於毫米波雷達基板材料、天線封裝等高速運算傳輸,目前grade 2產品的Df為0.002 @10 GHz,具有耐熱性、難燃性、高流動性、高尺寸安定性以及低吸水率等優異特性。
圖七、JXTG展出低介電與低介電損失之液晶高分子材料
除了高功能性樹脂,ENEOS也有生產交聯的高分子微球,該產品為均一、球型的PMMA系列交聯高分子微球,主要粒徑有2 μm, 3 μm, 5 μm, 10 μm及20 μm。其資料中有提供粒徑分布,不過尚未列上Cv等粒徑分布數據,主要應用在光擴散板、導光板、塗料等。
除了材料廠商、原物料廠商、展場當然也有許多設備廠商共襄盛舉。在先進構裝領域,APIC YAMADA的模封設備一直是其中的佼佼者,在會場上也特別注意到,自2019年7月起,APIC YAMADA成為YAMAHA設備家族的一員(圖八),主要負責模封成形設備技術,包括Sensor模封、Power Device模封、多種部品模封,以及先進半導體晶圓級(WLP)、面板級模封(PLP)等,能進行液態、顆粒狀與片狀封裝材料的模封製程(圖九);模封的尺寸從4吋到12吋晶圓,panel size最大可支援到670 x 620 mm(圖十)。
圖八、APIC YAMADA成為YAMAHA旗下一員
圖九、APIC YAMADA模封設備支援液態、顆粒狀與片狀封裝材料模封製程
圖十、APIC YAMADA模封設備支援的尺寸
三井金屬(Mitsui Kinzoku)在本次展覽中,對5G通訊所面臨的低損失特性,提出解決方案。該公司透過內埋式技術使訊號傳送距離變小,以達到保留訊號完整性,此外尚具有可提升電性、降低雜訊、縮小產品尺寸等效果。
在Farad Flex產品中,使用自家超平整銅箔和低損失係數樹脂搭配,損失係數(Df) 最低可達0.0015@10 GHz頻段下,且具有良好的接著能力,目前可用在智慧手機中的聲音感測裝置上,其他特性和實際感測裝置樣品如圖十一和圖十二所示。
同時,三井金屬也推出超薄型5G或IoT基板用銅箔,特性為具有超低粗糙度,可達到1.3(Rz)。目前可應用在高頻所用MSAP (Modified Semi-Additive Process)製程,具有高精準的對位和線寬,如圖十三所示。最後超薄銅箔也具有良好的接著力,在與低損係數樹脂的剝離強度測試中可達1.2kg/cm2,其銅箔產品展示如圖十四。
圖十一、三井金屬透過內埋式技術保留訊號完整性,作為5G應用方案
圖十二、Farad Flex利用三井自產之超平整銅箔和低損失係數樹脂結合而成
圖十三、超薄型銅箔材料具有超低粗糙度,應用在MSAP製程
圖十四、超薄型5G/IoT基板用銅箔,具精準對位及良好接著力
信越化學工業(Shin-Etsu Chemical)於本次展覽中產出一些封裝、成型材料,車載感測裝置之封裝材料展出兩個系列,LPS-7650與KJC-X5,具有低的濕氣滲透度及高透明度的特性。圖十五中的光透過性數據顯示,LPS-7650在可見光至紅外線波段皆具有非常好的透光度;耐熱性數據則顯示,兩個系列的產品在180℃下加熱之耐熱性皆較既有產品為佳。
圖十五、信越化學展出封裝材料,特色為低透濕、高透光度,供車載使用
在成型材料部分,同樣也展出兩個系列(圖十六)。其中KMC-2290具有高CTI及高體積抵抗率之特色,其CTI為600 V,比既有產品的550 V高出50 V,150℃體積抵抗率3,000,則是遠遠超過既有產品的50。而KMC-8000則是具有高耐熱性及高體積抵抗率,其Tg為300℃,高於既有產品的250℃,150℃體積抵抗率2,000,亦遠遠超過既有產品的50。
圖十六、信越化學展出成型材料,特色為高CTI、高體積抵抗率
隨著穿戴電子產品與智慧服飾相關產業的興起,可拉伸導電線路扮演著不可或缺的角色。由於人體皮膚、關節及機器人關節等部位,移動時都會有10~50%不等的拉伸率,線路材質必須能應對這樣的變化。
JUJO Chemical公司展出的導電銀漿(圖十七),具有優異的柔軟性,可在拉伸測試中來回伸縮100次,仍具有導電性,然而會隨著拉伸次數的增加,使電阻值由原本的12.1Ω提高到356Ω。其用來分散銀顆粒的樹脂屬於熱固化系統,能在30分鐘120℃下快速完成硬化,且溶劑揮發速度快,配製好的銀漿可直接列印在有PU(polyurethane)纖維上。
圖十七、可直在手套與衣服上列印線路之導電銀漿,具高柔軟特性
太陽誘電(Taiyo Yuden)在本次展出多項汽車電子元件,像是鋁電解電容器和導電高分子混成鋁電解電容器。鋁電解電容器(圖十八)展出的有直徑18~22 mm/高度42 mm的電容器,工作電壓為25~80 V,電容量為800~4,700 micro F,工作溫度最低可達-40~150℃。在上述條件下,壽命可達2,000小時。
此外也有小型化的電容器,尺寸從直徑6.3 mm/高度5.8 mm,到直徑10 mm/高度10 mm,工作溫度從-40~125℃,壽命可達2,000~3,000小時。
圖十八、鋁電解電容器,特色為耐高溫、長壽命,供車載使用
在導電高分子混成電容器的部分(圖十九),則有3個型號的產品,包括HV、HVK、HVX系列。這些電容器具有低的ESR與耐高漣波電流的特性。其中HV系列工作電壓為25~80 V,工作溫度-55℃~105℃,壽命長達10,000小時;HVK系列則是將最高工作溫度再提高至125℃,壽命為4,000小時;HVX是一個新系列,其最高工作溫度可達135℃,工作電壓16~35 V,壽命4,000小時。
圖十九、導電高分子混成鋁電解電容器,特色為低ESR、耐高漣波電流
Nippon Chemi-Con公司在本次展出多項技術,包含電雙層電容器及其模組、環境感測器(分別有溫濕度、懸浮粒子、結露感測器)、金屬化聚丙烯薄膜電容器、多層陶瓷電容器,以及導電性高分子固態/混成鋁電解電容器,內容相當多元。
多層陶瓷電容器(圖二十)主要分為兩大方向設計,首先是高工作溫度,其最高工作溫度可達150℃,且符合車用等級(AEC-Q200)。此外還有小型大容量設計,此系列最高工作溫度為125℃。
圖二十、多層陶瓷電容器,特色為高工作溫度、小型化與大容量
在導電性高分子鋁電解電容器方面,展出三個系列的電容器(圖二十一),可應用於Converter、Inverter、ECU等領域:
1. HXE系列:大型化設計,直徑10 x 高16.5,工作電壓25~63 V,可靠度可達135℃/4,000小時,電容量150~560 μF。
2. HXJ系列:高容量1.2倍化設計,工作電壓16~35 V,可靠度125℃/4,000小時,電容量56-820 μF。
3. PXN系列:此系列為高耐濕設計,工作電壓2.5~16 V,可靠度105℃/5,000小時,或85℃/85%相對濕度/1,000小時。
圖二十一、導電高分子鋁電解電容器,特色為大型化、高容量、MLCC數降低
同樣為電容器公司的Rubycon本次也展出薄膜高分子多層電容器PMLCAP(圖二十二),主要應用於音響,可提供高品質音質,降低噪音,且沒有壓電效應。主要分三系列產品,額定電壓200 V,使用溫度-55~125℃的MU系列;85℃/85%相對濕度對應,工作電壓10~50 V,使用溫度-55~125℃的MS系列。在試驗階段的PKG系列,其可靠度在85℃/85%相對濕度下,可通過2,000小時,工作電壓10~50 V,最高工作溫度則可達175℃。
圖二十二、薄膜高分子多層電容器,可提供高品質音質、無壓電效應
在混成電容器(圖二十三)技術方面,相同工作電壓下,混成電容器相較於固體電容器可以達到尺寸小型化、低的ESR,如此一來,成本與空間便可節省許多。混成電容器PJF系列有較高的電容量與小型化設計。PHV系列則是有較高的工作溫度與長時間壽命的特性。
圖二十三、Rubycon展出之混成電容器,特色為尺寸小型化、低ESR
Murata開發車距即時感測模組(圖二十四),整合超音波產生器及Tx/Rx致能器,以達到距離偵測及訊號回授控制,大幅提升行車安全性。該模組特色則可偵測近距離約10cm,遠距達3~5m,具較大動態偵測範圍,未來深具市場潛力應用於車載裝置,可即時告知駕駛周遭附近狀態,達到提早預防及因應措施。
圖二十四、Murata展出車距即時感測模組,可偵測10 cm近距離障礙物
NITTOKU公司開發高密度繞線技術及製程設備(圖二十五),可將各式馬達結構所需的線圈繞組空間堆積密度發揮至極致,使馬達運作發揮最大使用效能,此次展覽眾多家廠商都非常看重車載市場潛力發展,亦逐步開始投入馬達專用繞組結構設計與一體製作,以降低因人工作業而造成低捲繞密度之瓶頸,該技術未來會是EV或其他車載裝置用馬達製作之重要技術之一。
圖二十五、NITTOKU展出高密度繞線技術,解決EV發展技術瓶頸
Denso是全球最大的汽車零部件供應商,本次展出的電磁相容EMC量測設備(圖二十六),結合微型天線模組及分析系統,開發軟體可視化解析,可快速找到雜訊位置及干擾強度,進而加以抑制。該技術可廣泛應用於高頻電路或功率電路板上來回掃描尋找EMI來源之重要方法及利器,可加速協助研發人員設計與整合製作。
圖二十六、Denso展出電磁相容EMC量測設備,有助於加速高頻電路設計
FUJITSU公司開發表面熱像及電磁相容EMC即時量測整合系統(圖二十七),該技術特色在於量測電路板等電磁雜訊干擾分佈的同時,亦可掃描出表面溫度熱源位置場型分佈,同時顯現分析電、磁、熱三者之影響,可提供使用者更完整的量測及關聯性解析,有助於產品開發與測試評估。
圖二十七、FUJITSU展出表面熱像及電磁相容EMC即時量測整合系統
Headspring公司開發車用雙向電源模組(圖二十八),主要整合碳化矽元件及電源拓樸電路。在本次發表會中,該公司提及雙向電源充電模組於車載應用時是極為重要的,除了要供給駕駛用電,同時於特殊情況如天然災害等,亦可作為備用電池來輔助其他器具產生電力,而這已成為下世代車載電源管理系統中重要之技術環節與整合。
圖二十八、Headspring展出雙向電源模組,可供應EV動力與緊急電力調度用
石坂電器(ISHIZAKA)開發用鋁線圈繞組(圖二十九),由於鋁製線圈整體較輕,重量比銅線圈略為減半,將有助於達到輕量化設計,也可以降低材料成本。應用在車輛中,有助於減輕車載負荷重及降低車載整體油耗,且可提升駕駛效能,極具應用潛力。
圖二十九、石坂電器開發用鋁線圈繞組,強調輕量化與低成本
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NEPCON 2020為亞洲最大電子研發、設計以及製造展示平台,觀看此展,可以完整梳理出日本電子產業的脈絡,更能進一步瞭解國際業界的發展趨勢,兩相結合之下,非常有助於相關業界勾勒出「未來電子產業形貌」,並由此尋找自身的定位。
材料世界網對於NEPCON JAPAN 2020接連三日的現場報導,在此暫告一段落,相信這也是國內最全面與即時的報導。如欲瞭解由NEPCON衍生出更多的技術走向與產品趨勢,敬請持續關注工業材料雜誌與材料世界網的後續深入解析 ---以上是材料世界網特派員:陳凱琪、湯士源、林甘軒、莊貴貽、陳芃來自東京現場的Live 報導。