因应开发新型软性电子产品, 不论在3C产品(如NB、手机、平板、数码相机)、照明、大型LED显示看板等,都应具备轻薄、坚固、可挠曲、低成本、低功耗以及架构简单的特性来符合未来智慧生活需求,所以对下一代软性基板材料将特别强调高介电特性,其良好的高介电特性有利增加电容密度提升、降低驱动电压的能力。在电场驱动元件中,高介电基板材料不仅可以当作绝缘层使用,更能提供高电场效益给元件,大幅度有效降低元件跨压,因此,基板材料的厚度与介电特性(Dk)将会有非常高的要求。
钛酸钡(BaTiO3)是一种价格便宜、供应量稳定,而被广为使用的高介电陶瓷材料,其Dk值约为3000~8000;但是BaTiO3脆性高,加上在后段制程上需要高温烧结,无法有效应用在有机基板或PCB制程上。通常必须改用BaTiO3陶瓷粉末混合有机高分子材料,配合各种薄膜技术,回归一般基板的制程后,才可同时兼顾制程可行性与材料特性。但是一般高分子的Dk值极低(2~3),所以这些材料通常无法应付现今的高阶需求,因此开发新的高介电基板材料或是借由表面改质来提升现有材料的效能已是刻不容缓的课题。除此之外,为了满足轻薄、大面积、曲面、不规则形状之需求,软性基板材料的技术开发将是决定模组成功的关键因素。本文将针对目前国际上相关高介电基板材料做一介绍。
表一整理了各类型的组成,随着陶瓷和高分子的比例不同,展现的介电常数也各有变化,但其主要还是以添加高比例无机物来提高介电常数特性,也因为含有大量的无机物,其无机含量均>70 wt%,导致其薄膜特性挠曲度、透明度不佳,无法符合软性高介电基板的应用需求。
AIST开发的透明软性有机/无机混合Clay薄膜,所得到的薄膜在可见光区域具有优异的挠曲性和光学透明性(图一)。由于其独特的奈米结构中包含片状的Clay和堆叠的高分子链段(图二),使得薄膜具有高度的柔软性和穿透度。其机械特性和光学方面,抗张强度(Tensile Strength)可到25 MPa,延伸率(Elongation)为1.8%,可见光透光度达90%。与市售的聚酰亚胺相比,随着无机Clay的添加,确实可提升各方面的物理性质,其中介电常数可提升到6.3,相关整理如表二。
1. 高温高介电材料开发(≧200˚C应用)
为符合软性基板材料需拥有良好的高介电特性,目前最常被使用的方法就是添加高介电常数的无机粒子到有机高分子中来提高混成材料的介电特性,一般聚酰亚胺具有耐热性、高机械强度等优点,可广泛应用在电子元件及半导体工业中,因此目前材化所针对不同制程需求(温度、透明度),利用不同聚酰亚胺单体结构设计,搭配工研院自有的有机/无机混成技术,已开发不同特性的基板材料来因应各种商品需求,相关技术特性如表四所示。以下将针对透明无色基板、耐高温不黄变低色偏基板及高温黄色基板做介绍。
一般高介电无机粒子本身密度较大,若粒径太大会使聚酰亚胺基板与高介电无机粒子有分散不佳及沉降的问题(图四),因此如何透过界面的调控和无机粒子的改质成为最大的技术困难点。目前工研院材化所已开发透明无色基板,其耐热性可符合(Amorphous Silicon; α-Si) TFT-LCD制程需求,在220˚C制程下可得一透明软性高介电混成基板(图五),其膜厚37 μm、色偏值约0.7,介电常数经无机粒子的添加可提升到9,而且由TEM照片(图六)可看出高介电粒子均匀分散在聚酰亚胺内,并无聚集与沉降之现象发生,代表有机/无机混成技术界面控制相当理想……以上内容为重点摘录,如欲详全文请见原文。