用光刻技术制造IEDC 体积仅为铝电解电容器的1-1000

2019-08-06 10:54

  日本产业技术综合研究所(以下简称产综研)开发出了使用碳纳米管(CNT)作为电极的CNT集成化微型电容器(IEDC)。IEDC是利用类似IC的工艺在硅晶圆上制造的超薄双电层电容器(EDLC)。

  IEDC性能上的特点是能量密度、输出功率密度及充放电速度均比现有的铝(Al)电解电容器高,能量密度约为后者的1000倍。与通过小型化不断扩大市场份额的多层陶瓷电容器(MLCC)相比,IEDC也薄很多。

在4英寸晶圆上制造的4700个CNT集成化微型电容器

  采用超薄梳状电极

  这些高性能源于(1)元件结构采用的全新设计的EDLC微型EDLC,(2)基于光刻技术的微细、高精度、高密度加工技术,(3)高纯度碳纳米管(CNT)的高导电性和较大的比表面积等。

  微型EDLC将电容器的两个电极做成薄膜并采用梳状,使电极之间相互咬合。单个芯片的尺寸不到1mm见方,CNT层的厚度为1~2m。工作电压约为1V,静电容量约为30F。微型EDLC的研究从2010年左右就开始了,但此次是首次高密度集成到硅晶圆上。

充放电时间比通常的双电层电容器短很多

  制造高纯度CNT采用的是产综研开发的超生长(SG)法,纯度为99.98%。SG法已达到量产水平。日本瑞翁公司(Zeon)将于2015年下半年开始量产。

  IEDC的生产方面,采用的是可批量生产的光刻技术。将CNT分散到水性溶剂中,制成CNT膏,然后用刀片将其涂在绘好图案的金集电体上。然后,通过光刻和蚀刻,将CNT层加工成与金集电体相同的形状。此次利用这样的工艺,在4英寸(约100mm)硅晶圆上制造了4700个IEDC。

利用光刻技术制成CNT层

  耐压100V也很容易实现

  在硅晶圆上批量制造的优点除了可量产之外,还包括:容易实现多个芯片的串联和并联,能够以高自由度设计工作电压和静电容量。串联和并联引起的电压和静电容量的变化几乎跟课本上说的一样(产综研纳米管实用化研究中心负责人畠贤治)。

  例如,如果单个芯片的耐压为1V、静电容量为约30F,将这样的4个芯片串联成一组,并联4组,可以实现耐压为4V、静电容量约30F的器件。如果将100个芯片串联,还可以实现耐压100V。将100个芯片并联,可以实现约3000F的静电容量。

  可用于AC-DC转换

  IEDC也存在一些课题。一是等效串联电阻(ESR)比铝电解电容器大。一般来说,较大的ESR不适合处理高频和大电流的用途。即便如此,产综研表示,已确认这种IEDC在60Hz的AC-DC转换等较低频率领域用途可正常工作。

  ESR大当然也有有利的一方面。因为在尺寸小这一点上与IEDC形成竞争的MLCC就存在ESR过小而容易振荡的课题。

  IEDC的另一个课题是制造成本高。原因是光刻装置等的成本高,但畠贤治表示单价有可能降到100日元左右,与MEMS(微电子机械系统)元件刚开始量产时差不多。

将来成本将与MEMS元件相当

  高成本靠高附加值抵销

  产综研对IEDC的希望是,找到可充分利用其附加价值的新用途使之投入实用,而不是与现有产品一味进行价格竞争。

  今后,产综研将通过增加CNT的膜厚,进一步减小芯片尺寸,同时将目前约为90%的成品率提高到99%以上,并实现实用化。畠贤治表示还打算取代Si基板,在树脂基板上制造IEDC,以降低其成本,扩大其用途。

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