超级军网用光刻技术制造IEDC，体积仅为铝电解电容器的1/1000
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/05/06 09:36:17
在4英寸晶圆上制造的4700个CNT集成化微型电容器
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（图1）。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。
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（图1（b））。单个芯片的尺寸不到1mm见方，CNT层的厚度为1～2μm。工作电压约为1V，静电容量约为30μF。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。
图1：充放电时间比通常的双电层电容器短很多
将4并4串共16个IEDC组成的单元，与工作电压、静电容量相同的铝电解电容器进行比较（a），体积只有铝电解电容器的约1/838。1个IEDC的结构和尺寸（b）。与铝电解电容器、各种双电层电容器（EDLC）及锂离子二次电池进行比较（c）。充放电时间与铝电解电容器相同，在EDLC中是非常短的。（图为日经技术在线根据日本产综研的资料绘成） （点击放大）
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（图2）。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。
图2：利用光刻技术制成CNT层
IEDC制造工艺的概要：（1）将U形金集电体组合成梳状，然后利用对电解质稀硫酸有很强防水性的环氧树脂（SU8）制作电极隔板。（2）用刀片在其上涂抹CNT膏，（3）利用光刻和蚀刻技术形成CNT层。此次采用了稀硫酸作为电解质。（图为日经技术在线根据产综研的资料绘制） （点击放大）
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30μF，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30μF的器件（图1（a））。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3000μF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（图3）。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”。
图3：将来成本将与MEMS元件相当
IEDC的特点、课题及今后的开发方向。由于采用光刻技术，即使成本降低，单个的成本也在100日元左右，与MEMS相当，仍比铝电解电容器高。但另一方面，IEDC具有附加值，例如可以在SoC的封装内安装、在树脂基板上制造等。今后有望进一步小型化，成品率也会提高。 （点击放大）
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”。
http://china.nikkeibp.com.cn/news/nano/75230.html?limitstart=0
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在4英寸晶圆上制造的4700个CNT集成化微型电容器
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（图1）。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。
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（图1（b））。单个芯片的尺寸不到1mm见方，CNT层的厚度为1～2μm。工作电压约为1V，静电容量约为30μF。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。
图1：充放电时间比通常的双电层电容器短很多
将4并4串共16个IEDC组成的单元，与工作电压、静电容量相同的铝电解电容器进行比较（a），体积只有铝电解电容器的约1/838。1个IEDC的结构和尺寸（b）。与铝电解电容器、各种双电层电容器（EDLC）及锂离子二次电池进行比较（c）。充放电时间与铝电解电容器相同，在EDLC中是非常短的。（图为日经技术在线根据日本产综研的资料绘成） （点击放大）
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（图2）。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。
图2：利用光刻技术制成CNT层
IEDC制造工艺的概要：（1）将U形金集电体组合成梳状，然后利用对电解质稀硫酸有很强防水性的环氧树脂（SU8）制作电极隔板。（2）用刀片在其上涂抹CNT膏，（3）利用光刻和蚀刻技术形成CNT层。此次采用了稀硫酸作为电解质。（图为日经技术在线根据产综研的资料绘制） （点击放大）
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30μF，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30μF的器件（图1（a））。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3000μF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（图3）。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”。
图3：将来成本将与MEMS元件相当
IEDC的特点、课题及今后的开发方向。由于采用光刻技术，即使成本降低，单个的成本也在100日元左右，与MEMS相当，仍比铝电解电容器高。但另一方面，IEDC具有附加值，例如可以在SoC的封装内安装、在树脂基板上制造等。今后有望进一步小型化，成品率也会提高。 （点击放大）
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”。
http://china.nikkeibp.com.cn/news/nano/75230.html?limitstart=0