Анализ конструктивно-технологических решений создания конденсаторных структур и теоретические исследования предельных значений энергоемкости

Размещено на http://allbest.ru

МАТИ -- Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского

Анализ конструктивно-технологических решений создания конденсаторных структур и теоретические исследования предельных значений энергоемкости

Хоан В.Д., аспирант;

Слепцов В.В., доктор технических наук, профессор

1. Технологические решения создания конденсаторных структур

Деятельность любого предприятия базируется на трех основных структурах:

· Анализ конструктивно-технологических решений создания конденсаторных структур

· Особенности 3D-MID технологии

3D-MID технологии - это технология создания трехмерных электронных схем на пластиках (полимерных материалах). В настоящее время она рассматривается как одна из перспективных технологий электроники.

3D-MID технология обеспечивает очень высокую гибкость проектирования за счет возможности интеграции электронных, механических и оптических элементов, широких возможностей относительно формы устройства и миниатюризации.

Среди других преимуществ данной технологии необходимо отметить меньшее число входящих в состав элементов, повышенную надежность, меньшую материалоемкость. Основные области применения 3D -MID технологии - это устройства и системы телекоммуникаций, изделия медицинской, компьютерной и бытовой электроники.[1-4].

Использование высокотемпературных пластиков и их структурированная металлизация открывают новые возможности дизайна проводящих схем в электронной промышленности: трехмерные системы на пластиках (3D-MID).

Трехмерные системы на пластиках состоят из литых термопластиковых оснований с интегрированной системой соединений. Изделия на пластиках позволяют упростить конструкцию, сократить количество сборочных единиц и вес изделий, повысить их надежность.

Они обеспечивают огромный технический и экономический потенциал и являются более экологичными по сравнению с обычными печатными платами, однако, они их не заменяет, а скорее дополняют их.[4,5].

Для разработки модели структур использованы

1. Печатаемые конденсаторы по технологии «directwrite»

2. Осаждение конденсаторов

3. 3D пленочные конденсаторы для интеграции в многослойные печатные платы.

4. Разработка структуры 3D пленочного конденсатора

5. Изготовление тонкопленочных конденсаторных ячеек на бумаге

В этом разделе будет представлена технология для «печатания» конденсаторов, разработанная в Калифорнийском университете города Беркли. Печатаемый электрохимический конденсатор состоит из пяти слоев (перечисление по порядку нанесения слоя): обкладка конденсатора, угольный электрод, гелиевый электролит и симметричная часть состоящая из угольного электрода и обкладки конденсатора. Схематически конденсатор изображен на рис. 1.1.

Электрод состоит из следующих компонентов: 50% активированного угля, 24% содержания связующего полимера PVDF, 2% проводящего присадочного материала и 24% BMIM+BF4- ионной жидкости. Гелевый электролит состоит из 1:1 раствора PVDF и BMIM+BF4-.

Обкладки конденсаторов разработаны из проводящих частиц, например никеля, в PVDF. Все составные части конденсатора выполнены в виде растворов, который осаждается (печатается) в виде капель.

Вязкость растворов образуется за счет добавления летучего растворителя такого как n-метил-2-пироллидон (NMP).

Пневматический принтер быстро выдавливает на нужную поверхность капли через печатающую головку в виде шприца. Капли в итоге соединяются и образуют пленку при улетучивании растворителя NMP.

При изготовлении конденсатора печатается пятислойная планарная пленка похожая на пирог, как и показано на рис. 1.1. Рис. 1.2 представляет микроснимок на котором изображена морфология угольных электродов и гелиевого электролита. [6].

Рис. 1.1. [1]. Схематическое изображение печатаемого электрохимического конденсатора

Рис. 1.2. [2]. Микроснимок показывающий морфологию угольных электродов и гелиевого электролита

2. Осаждение конденсаторов

Разработанная технология осаждения пленок предполагает «печатание» конденсаторов непосредственно на поверхность (печатную плату), где могут находиться электронные и другие компоненты. Рис. 1.3 схематически иллюстрирует процесс осаждения пленок. Для осаждения ТКЯ на печатную плату с предустановленными компонентами используется программное обеспечение на основе обработки изображений и технологий прецизионного выравнивания. Для успешной печати выпоняется ряд последовательных действий:

· Программное обеспечение делает снимок поверхности и находит на ней свободные области для печати.

· Свободные области кодируются в растровое изображение.

· Принтер осаждает пленки в соответствии с растровым изображением, а программное обеспечение контролирует точность нанесения пленок.

Рис. 1.3. (а) Характеристика, показывающая момент стабилизации емкости суперконденсатора; (б) цикл перезаряда суперконденсатора током 0.3 мА, 3D пленочные конденсаторы для интеграции в многослойные печатные платы.[5].

На рис.1.3а демонстрирует процесс стабилизации емкости суперконденсатора. Примечательно, что она стабилизируется в районе 1000 циклов перезаряда и дальше держится стабильно в районе 55 мФ до 120000 циклов и более [5]. полимерный пленочный конденсатор электрод

Такое большое гарантированное число циклов перезаряда особенно важно для автономных систем, например беспроводных сенсорных сетей, модули которых используют технологии сбора энергии из окружающей среды и способны перезаряжать свои источники питания.

Рис. 1.3б показывает цикл перезаряда суперконденсатора, прикладывая максимально допустимое напряжение 1.7 В и небольшой ток заряда/разряда. Максимально допустимый ток составляет 2 мА.

3. 3D пленочные конденсаторы для интеграции в многослойные печатные платы

Пассивные компоненты занимают порядка 60% в электронных схемах. Поэтому, чтобы добиться высокой интеграции компонентов на печатной плате (ПП), промежуточные слои многослойной печатной платы могут использоваться для напылении пассивных компонентов, например, конденсаторов.

Это особенно важный момент для автономных электронных устройств, имеющих лимитированный запас запасенной энергии.

Однако, процесс напыления не легко встроить в технологический процесс изготовления печатной платы и обеспечить надежность и технические характеристики напыленных конденсаторов сравнимых с дискретными компонентами.[7].

4. Разработка структуры 3D пленочного конденсатора

Метод 3D интеграции пленочных конденсаторов в промежуточные слои ПП, представленный в исследовательской работе позволяет добиться более высокой ёмкости ТКЯ, а именно 10 нФ/мм2, и безболезненно встроить процесс осаждения конденсаторов в технологический процесс изготовления ПП. Диэлектрик в таком тонкопленочном конденсаторе МДМ типа (металл-диэлектрик-металл) состоит из двух слоев: самоорганизующегося монослоя и слоя ультра мелких наночастиц (BaTiO₃ или ZrO₂) со стабилизатором органического происхождения.

Такой диэлектрик может быть нанесен непосредственно на медную фольгу ПП c последующей операцией отверждения.

Весь процесс происходит при температурах полностью совместимых с технологией производства и обработки ПП.

Рис. 1.4. [6]. Состав тонкопленочного 3Dконденастора осажденного непосредственно на медную фольгу ПП, где (а) верхний слой ПП, (б) медный слой, (в) диэлектрик, (г) мелкие наночастицыBaTiO3 или ZrO2 , (д) верхний металлический электрод

Экспериментальные результаты. На рис. 1.5. показаны исследования 3D тонкопленочного конденсатора, структура которого было описана выше.

Рис. 1.5. [9,10]: Экспериментальные исследования тонкопленочных 3D конденсаторов: зависимость плотности интеграции нф/мм² (integrationdensity) и относительной диэлектрической константы (Dk) конденсатора от частоты (frequency) для второго диэлектрического слоя из наночастиц на основе (а) BaTiO₃ или (б) ZrO₂; (в) измерение тока утечки (саморазряда) (leakagecurrent) конденсатора со вторым слоем диэлектрика на основе наночастиц ZrO₂ площадью 20 мм²; (г) зависимость емкости (capacitance) в Фарадах конденсаотра со вторым слоем диэлектрика на основе BaTiO3 на частоте 1 кГц.

Подводя итоги, можно выделить следующих достоинства технологии, представленной в работе [9,10]:

· Технология может быть легко адаптирована для использования при изготовлении конденсаторов в индустрии, применяя напыление «directwrite» или «all-inkjet» о которых говорилось ранее.

· Тонкопленочной конденсаторной ячейк (ТКЯ )могут осаждаться на внутренние слои многослойной ПП, не нарушая и не препятствую технологическому процессу изготовления самой платы и избегая паразитных явлений, например такого как паразитная индуктивность.

· Напыленные 3D конденсаторы обладают хорошими электрическими характеристиками, не уступая аналогичным компонентам монтируемых на поверхность, и могут использоваться в качестве источников питания, развязывающих конденсаторов, конденсаторов для цифровых устройств.

· Технология позволяет уменьшить размеры электронного устройства за счет «помещения» части пассивных компонентов внутрь многослойной ПП, а также уменьшить стоимость устройства.

5. Изготовление тонкопленочных конденсаторных ячеек на бумаге

Рассмотренные ранее исследовательские работы предлагали методы по напылению тонкопленочной конденсаторной ячейки (ТКЯ) на твердых или по крайней мере не гнущихся поверхностях. С развитием области «печатной электроники», которая применяется, например в области изготовления гибких, легковесных дисплеев встает вопрос и о создании соответствующих источников питания.

На сегодняшний день технологии изготовления электронных устройств на бумаге, которая доступна в повседневной жизни, уже позволяют изготавливать тонкопленочные транзисторы, датчики, РЧ идентификационные устройства. Основными достоинствами изготовления электроники на бумаге являются их малая стоимость и простота утилизации отходов.

Основное же препятствие при использовании бумаги для электроники - это ее шероховатая поверхность. Однако, эта проблема не существенна для производства источников питания таких как суперконденсаторы. К тому же, «бумажные» источники питания необходимы для корректного функционирования и правильного сопряжения с другими «бумажными» электронными устройствами.

Исследовательская работа демонстрирует технологию производства тонкопленочной конденсаторной ячейки (ТКЯ), в которой анод, катод и разделитель обкладок выполнены на одном листе бумаги. Обычно при напылении одностенных углеродных нанотрубок (ОСУНТ) на бумагу происходит короткое замыкание всех напечатанных электронных компонентов из-за того, что т

рубки проникают сквозь микрометровые бумажные поры. Чтобы решить эту проблему, исследователи покрыли одну сторону бумажной основы 10% поливинилиденфторидом (ПВДФ). Это покрытие толщиной 5 мкм было нанесено стержнем Мейера с последующей двадцати минутной операцией сушки в печи при 65 °С. Операция была повторена и для второй стороны бумажного листа (рис. 1.6а схематически иллюстрирует эту технологическую операцию).

Тонкий слой ПВДФ покрытия, тем не менее, позволяет проникать электролиту через бумагу, функционирующей как электролитная мембрана и в то же время, служить разделителем, не позволяя одностенных углеродных нанотрубок (ОСУНТ) создавать короткие замыкания в устройстве. Рис. 1.6б показывает структуру суперконденсатора с интегрированными на одном листе бумаги электродами и разделителями.

Для нанесения ОСУНТ пленки на бумагу предварительно обработанную ПВДФ, использовался раствор ОСУНТ с концентрацией 2.0 мг/мл с добавлением поверхностно-активной присадки 1% натрия додецилбензолсульфоната.

Толщина сырой ОСУНТ пленки может варьироваться от 4 до 100 мкм. Эта величина зависит от стержня Мейера - технологии покрытия. Было замечено, что высокая концентрация ОСУНТ раствора помогает значительно снизить риск короткого замыкания в устройстве благодаря высокой плотности ОСУНТ соединений на бумажной поверхности. Например, при концентрации 0.5 мг/мл ОСУНТ в воде короткие замыкания случаются сравнительно часто. [11,12].

Рис. 1.6. [12]. (а) Схематическое изображение фирменного листа бумаги Xerox (paper) обработанного раствором ПВДФ (PVDF) с обоих сторон; (б) схематическое изображение бумажного суперконденсатора (paper), покрытого ОСУНТ (SWNT) пленкой при помощи стержня Мейера или напечатанной на принтере с распылением; (в) фото изготовленного прототипа суперконденсатора на бумаге используя метод Мейкра; (г) фото прототипа суперконденсатора напечатанного на принтере [12].

Экспериментальные результаты. Во время экспериментов одностенных углеродных нанотрубок(ОСУНТ) ТКЯ были нанесены на разные виды бумажной продукции (с предварительной ПВДФ обработкой) включая фото бумагу Kodak, газету, рекламные продуктовые листовки. Было обнаружено, что электрическая проводимость одинаковая у всех бумажных основ при нанесении раствора ОСУНТ концентрации 2.0 мг/мл, хотя шероховатость поверхности сильно разнится у всех бумажных основ для конденсаторов.

Рис. 1.7. [13-14]. (а) Фото суперконденсатора напечатанного на газете толщиной 30 мкм; (б) циклы заряда/разряда суперконденсатора напечатанного на газете; (в) зависимость удельной емкости (specificcapacitance) от плотности тока (current); (г) зависимость деградации емкости (capacityretention) от количества циклов перезаряда (numberofcycling) конденсатора.

На рис. 1.7а изображен конденсатор, напечатанный на газете толщиной 30 мкм. Для тестирования такого конденсатора были изготовлены платиновые контакты и проводники. В таком исполнении ОСУНТ пленки играют роль как токопроводящей обкладки и электрода одновременно. Таким образом, конденсатор состоит всего из двух компонентов: газеты и ОСУНТ пленок.

В качестве электролита использовался 1 М LiPF₆ в этиленкарбонате; диэтилен карбонат = 1:1 v/v. Изготовленный конденсатор был потестирован анализатором батарей MACCOR 4300. Размер тестируемого конденсатора 1 см², вес ~0.3 мг/см². Как показано на рис. 1.6б конденсатор был протестирован двумя токами, а именно 50 мкА и 500 мкА при прикладываемом напряжении от 0 до 3 В. Форма импульсов заряда стабильна. Импеданс конденсатора составляет 30 Ом, который складывается в основном за счет ОСУНТ обкладок и органического электролита. На рис. 1.7в изображена характеристика удельной емкости. К примеру, она равна 33 Ф/г при удельной мощности 250 000 Вт/кг, что является соизмеримым результатом в литературе. Из-за легковесности ОСУНТ пленок, которые служат в качестве токопроводящих обкладок вместо металлических, емкость готового конденсатора может быть значительно улучшена по сравнению с обычными суперконденсаторами. Масса ОСУНТ пленки составляет 0.3 мг/см², бумаги ~3 мг/см² и металла ~10 мг/ см². Следовательно, емкость бумажного конденсатора ~3 Ф/г. Удельная емкость уменьшается с увеличением плотности тока и также зависит от площади соприкосновения конденсатора с электродом. Суперконденсатор показывает хорошую стабильность емкости от увеличения циклов перезаряда (см. рис. 1.7г). Небольшое ухудшение емкости наблюдается после 2500 циклов перезаряда. Результат такой стабильности может быть объяснен хорошими связующими свойствами ОСУНТ раствора, который отлично соединяется с бумажной основой. [13-14].

Данная технология может быть легко внедрена в рулонное производство. Полученные ТКЯ существенно упрощают разработку электроники на бумажной основе, выступая в качестве источников питания.

Выводы

В этой статье был сделан обзор современной литературы и проведен анализ оптимальных конструктивно-технологических решений создания сверхъемких ТКЯ. Основной акцент был сделан на технологии и решения, которые можно совмещать с уже имеющимися технологиями производства, например, печатных плат или электронных средств вцелом. Стоит выделить технологию «directwrite», которая позволяет печатать сверхъемкие ТКЯ непосредственно на свободные места на ПП. Хорошей плотности интеграции позволяет добиться и технология интеграции ТКЯ в промежуточные слои ПП, не нарушая тем самым не технологических процессов, не повреждая сами ПП. Выше названные технологии особенно актуальны для автономных электронных устройств с ограниченным запасом энергии.

Однако для широкого исследования накопителей энергии в промышленных масштабах их удельные характеристики недостаточно высоки они существенно уступают химическим источникам тока (ХИТ). Поэтому важным вопросом является оценка предельных удельных характеристик по энергоёмкости конденсаторных структур. Поэтому вторая часть работы будет посвящена именно этому вопросу.

Литература

1. Чернов В. А., Палагушкин А. Н., Прудников Н. В., Сергеев А. П., Сигейкин Г. И., Леонова Е.А. Изготовление и исследование свойств наноструктур для прямого преобразования ядерной энергии в электрическую с использованием эмиссии вторичных электронов // Нано-микросистемная техника. 2010 г. Т. 11 (124). С. 2--9 .

2. Радиоизотопные источники электрической энергии. / Под ред. Фрадкина Г. М. Москва, 1978, с. 304

3. Бамбаков В. М., Карась В. И., Кононенко С.И., Моисеев С. С., Муратов В. И. Вторично- эмиссионный радиоизотопный источник тока. Патент Р. Ф. № 2050625, 1995 г.

4. Somov, C. C. Ho, R. Passerone, J. W. Evans, and P. K. Wright. Towards extending sensor node lifetime with printed supercapacitors. In Proceedings of the 9th European Conference on Wireless Sensor Networks (EWSN'12), LNCS vol. 7158, pp. 212-227, Trento, Italy, February 15-17, 2012.

5. Somov, C. C. Ho, R. Passerone, J. W. Evans, and P. K. Wright. Printed electrochemical capacitors for energy scavenging sensor networks. In Proceedings of the 1st International Workshop on Algorithms and Concepts for Networked Sensing Systems Powered by Energy Harvesters (EnHaNSS'12), pp. 1-6, Antwerp, Belgium, June 11, 2012.

6. Проект MICROFLEXhttp://microflex.ecs.soton.ac.uk: разработка материалов и процессов для осаждения и изготовления электронных компонентов на текстильной ткане.

7. Yi Li, R. Torah, S. Beeby, J. Tudor, “An all-inkjet printed flexible capacitor on a textile using a new poly(4-vinylphenol) dielectric ink for wearable applications,” In IEEE Proceedings on Sensors 2012, pp.1-4, Taipei, 28-31 Oct. 2012.

8. Jong-In Ryu, Jong-Won Moon, Se-Hoon Park, Dongsu Kim, Jun-Chul Kim, Jong-Chul Park, “Fabrication of a switch module by embedding chip capacitors and an active IC in organic substrate,” Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 2010 Proceedings 60th , vol., no., pp.1980-1985, 1-4 June 2010.

9. Kim, S. C. Jones, P. J. Hotchkiss, J. N. Haddock, B. Kippelen, S. R. Marder, J. W. Perry, “Phosphonic Acid-Modified Barium Titanate Polymer Nanocomposites with High Permittivity and Dielectric Strength,” Advanced Materials, 19: 1001-1005, 2007.

10. L. Brennecka, C. M. Parish, B. A. Tuttle, L. N. Brewer, “Multilayer thin and ultrathin film capacitors fabricated by chemical solution deposition,” Journal of Materials Research, 23, pp 176-181, 2008.

11. Vehkamдki, T. Hatanpдд, M. Ritala, M. Leskelд, S. Vдyrynen and E.Rauhala, “Atomic Layer Deposition of BaTiO3 Thin Films--Effect of Barium Hydroxide Formation”, Chemical Vapor Deposition, vol. 13, pp. 239-246, 2007.

12. Taroata, W. Fischer, T. A. Cheema, G. Garnweitner, G. Schmid, “High integration density capacitors directly integrated in a single copper layer of printed circuit boards,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol.19, no.1, pp.298-304, February 2012.

13. Nagata, S. W. Ko, E. Hong, C. A. Randall, S. Trolier-McKinstry, P. Pinceloup, D. Skamser, M. Randall and A. Tajuddin, “Microcontact printed BaTiO3 and LaNiO3 thin films for capacitors”, J. Ameriсan Ceramic Society, vol. 89, pp. 2816-2821, 2006.

14. Liangbing Hu, Hui Wu, Yi Cui, “Printed energy storage devices by integration of electrodes and separators into single sheets of paper,” Applied Physics Letters, 96(18), Article ID 183502, 3 pages, 2010.

Аннотация

Анализ конструктивно-технологических решений создания конденсаторных структур и теоретические исследования предельных значений энергоемкости. Хоан В.Д., Аспирант, МАТИ -- Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского; Слепцов В.В. Доктор технических наук, профессор, почетный работник высшего профессионального образования, лауреат премии Правительства РФ, заведующий кафедрой «Радиоэлектроника, телекомуникации и нанотехнологии» МАТИ - РГТУ имени К.Э. Циолковского

В этой статье показана эффективность разделения зарядов, сравнение возможности накопления энергии в химических источниках тока и в двойном электрическом слое, создание принципиально новых автономных «физических» источников тока с накопителями энергии в двойном электрическом слое - этим вопросам посвящен данный раздел.

Ионисторы (молекулярные конденсаторы без диэлектрического слоя между электродами) и сверхъёмкие электролитические конденсаторы (СЭК) с диэлектрическим слоем между электродами, перспективы создания и резкого в 5-10 раз повышения энергетических характеристик таких источников обсуждаются в этом разделе.

Предложен обзор современных технологий и изучить их теоретические и экспериментальные оптимальные решения, а именно, как можно усовершенствовать уже доступные решения для улучшения технических параметров ТКЯ, уменьшить их площадь, занимаемую в составе электронных устройств, а также встроить в технологические процессы изготовления электронных средств, в том числе в 3D-MIDтехнологию электронных схем на пластиках.

Автором представлено нарушение электронейтральности приводит к появлению новых энергетических уровней, что позволяет говорить о изменении внутренней энергии наноструктурированной системы. Так же показана ультрабольшая интегральная схема (УБИС) - Типичный пример плотноупакованной наноструктурированной системы.

Ключевые слова: 3D-MID, двухслойные конденсаторы, электрическая энергия, супер-конденсаторы.

Abstract

Analysis of the structural and technological solutions of creation of condenser structures and theoretical studies of limiting values of power intensity. Hoan V.D., Graduate, MATI - Russian State Technological University named after K.E. Tsiolkovsky, Sleptsov V.V., PhD in Engineering, professor, MATI - Russian State Technological University named after K.E. Tsiolkovsky

This article shows the efficiency of charge separation, a comparison of the possibility of accumulation of energy in chemical power sources and electric double layer, the creation of new autonomous “physical” batteries with energy storage in electrical double layer - these issues presented in this section. Electric double layer capacitors (molecular capacitor without the dielectric layer between the electrodes) and Ultra-electrolytic capacitors (SEC) with a dielectric layer between the electrodes, and the prospect of creating a sharp increase of 5-10 times the energy characteristics of these sources are discussed in this section. Propose a review of modern technologies and examine their theoretical and experimental optimal solutions, namely how to improve already available solutions to improve the technical parameters TKYA reduce their footprint as part of electronic devices, as well as to build in processes of manufacturing of electronic means, including 3D-MID technology, electronic circuits on plastics. The author presents a violation of electrical neutrality leads to the emergence of new energy levels, suggesting that the change in internal energy of nanostructured systems. Just shows an ultra Integrated Circuit (Ubisa) - A typical packed nanostructured systems.

Keywords: 3D-MID, double layer capacitors, electric energy, super capacitors.

Размещено на Allbest.ru