用光刻技术制造IEDC 体积仅为铝电解电容器的1/1000

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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。

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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。

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。

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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。

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【责任编辑:赵卓然】
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