創新高熵材料可望突破高頻通訊應用挑戰

作者 : NTSC

由國立成功大學電機系為主導的跨校、跨領域研究團隊,領先全球開發出通訊元件應用的高熵材料...

為了解決高頻通訊元件導電材料價格昂貴,以及金屬與陶瓷基材特性匹配不佳等問題,由國立成功大學電機系、材料系以及聯合大學電機系、師大光電系與明新科大組成的跨校、跨領域研究團隊,領先全球開發出通訊元件應用的高熵材料。

智慧通訊時代,為了增加裝置中天線等元件的傳輸距離與降低功耗,各種材料規格越來越高,其中負責傳輸與電極的金屬材料是重要關鍵。目前相關產業多使用金、銀、鈀與鉑等貴金屬,除了價格昂貴,金屬與陶瓷基材材料特性匹配不佳的問題,在高頻應用的影響更大。

為此,以國立成功大學電機工程學系教授施權峰為主導的研究團隊,在國科會(National Science and Technology Council;NTSC)「高熵材料之學理與應用開發」專案計畫支持下,運用計算材料科學設計出具應用性之高熵材料,自行開發特殊的高熵粉體漿料製程技術,提出引領全球的高熵合金高頻通訊元件。

據施權峰介紹,高熵材料是台灣自主發明的創新金屬材料,具備四元以上多個主元素,比起傳統合金具有更耐高溫、高硬度、耐腐蝕、輕量化與低成本等優勢特性。此技術具備溫度穩定性佳、原料性價比高、可量產開發以及符合商用標準等優勢,除了獲得發明專利,內容更提出近上百種材料配方與關鍵應用。

高熵合金。(資料來源:NTSC)

此外,這項技術還具備了三大技術亮點:

取代貴金屬材料,提供低成本優勢

常用於高頻通訊元件導電層材料的成本高,研究團隊開發的高熵材料不僅可提供優異的導電性與熱穩定性,其金屬原料成本相較於如鈀、鉑金、鉑與銀等常見貴金屬的價格要低許多,估計可大幅降低元件生產的材料成本至少80%以上。

高熵材料成本低、可望取代貴金屬。(資料來源:NTSC)

高導電與低熱膨脹係數更適合高頻通訊應用

適用於高頻元件導電層的材料電阻率需要夠低才能降低損耗,為了克服傳統合金導電率差的問題,研究團隊設計了能夠固溶的高熵材料,電阻率可小於4 μΩ-cm,可做為金、銀貴金屬外的全新高導電材料選擇。

常見的高頻通訊元件以多層佈線堆疊做設計與製造,在生產過程需考量材料經加熱製程的受熱膨脹程度。相較於金或銀的熱膨脹係數,研究團隊發開發的高熵材料熱膨脹係數介於2~7 ppm/K之間,與常見商用陶瓷基板5~7 ppm/K更加接近,熱穩定性與匹配性優異,可提升金屬-陶瓷共燒製程的導電層接面穩定性,減少金屬擴散及因熱膨脹而剝離等重大問題。

極端環境的溫度耐受性優異,訊號傳輸更遠、更穩定

使用高熵合金漿料與陶瓷基板共燒之高頻天線與濾波器元件,元件共振溫度飄移係數6.8到-6.9 ppm/℃,比商用銀之特性更佳,操作頻率穩定、傳輸損耗低,可應用於各式高頻通訊元件,包含(1)5G NR天線:符合5G手機使用的n77與n79頻段。(2)車用天線:已達商用等級標準範圍。(3)微型化Wi-Fi遙控天線: 經測試可於-10℃~80℃環境穩定操作,訊號傳輸距離可超過250公尺。

目前這項技術與配方均已申請多項專利,並與國內多家公司進行產學合作且簽訂合作意向,朝向產業化邁進。除了高頻通訊,同時也將延伸團隊能量到國防、生醫、光電與半導體領域。此外,成功大學並成立「高熵科技應用中心」,作為該團隊研發高熵材料的產學研合作平台,積極開發與推廣高熵材料之產業應用。

研究團隊展示新開發的高熵合金粉體與漿料產品、高熵合金應用於5G NR波段的天線元件、車用高熵薄膜天線以及高頻濾波器。(圖片來源:NTSC)

活動簡介
未來寬能隙半導體元件會在哪些應用成為主流?元件供應商又會開發出哪些新的應用寬能隙元件的電路架構,以協助電力系統開發商進一步簡化設計複雜度、提升系統整體效率?TechTaipei「寬能隙元件市場與技術發展研討會」將邀請寬能隙半導體的關鍵供應商一一為與會者解惑。
贊助廠商

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論