軟性基板厚膜電容元件之研究

Study of Thick-Film Capacitors on Flexible Substrates

研究生張鴻銘

指導教授陳立軒 博士

義守大學

電子工程學系

碩士班碩士論文

A Thesis Submitted to

Department of Electronic Engineering

I-Shou University

in

Partial Fulfillment of the Requirements

for the Master degree

with a

Major in Electronic Engineering

June 2010

Kaohsiung Taiwan

Republic of China

中華民國 九十九 年 六 月

I

軟性基板厚膜電容元件之研究

研究生張鴻銘 指導教授陳立軒

義守大學電子工程研究所

摘要

本實驗是利用旋轉塗佈製程在軟性基板上製作電容元件高分子樹脂本身介電常

數低藉由添加高介電常數之陶瓷粉末提高介電常數利用三軸滾筒將陶瓷粉末摻入

樹脂中並藉由添加不同材料與不同比例的陶瓷粉末探討陶瓷粉末之添加比例對介電

特性的影響利用導電粉末的界面偏極化作用以增加複合材料介電常數探討不同比

例的導體粉末添加量對介電特性的影響

本研究並發現此高分子複合材料其介電特性的關係隨著陶瓷粉末不同添加比例而

有所不同並且利用導電性粉末的界面極化機構大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料

之介電常數當 ITK5517 樹脂 50wt添加 BaTiO350wt時再添加鋁粉 25wt 頻率為

1kHz 時介電常數為 127(1kHz)介電損為 005

關鍵詞鈦酸鋇樹脂介電常數電容

II

Study of Thick-Film Capacitors on Flexible Substrates

Student Hung-Ming Chang Advisor Lih-Shan Chen

Department of Electronic Engineering

I-Shou University

Abstract

The capacitors were fabricated on flexible substrates by using spin coating process various

ratio of high dielectric constant ceramic materials were mixed with low dielectric constant

resins by a triple roller The effect of high permittivity materials on the dielectric properties

were investigated In addition conductive materials were added in to the matrix to increase

dielectric constant of composites

Dielectric properties of the composite depend on the amount of high permittivity ceramics

and higher amount of ceramics result in higher dielectric constant The dielectric constant of

25wt al added 50wt BaTiO3+50 wtITK5517 specimen is 127 measured at 1kHz and

dissipation factor is 005 The addition of conductive Al particles greatly enhance dielectric

constant of the composites

Keyword Barium TitanateResinDielectric ConstantCapactor

III

誌謝

本論文得以順利完成首先要感謝指導教授陳立軒老師在學業上的細心教導與懇切

關懷除了得到課業與論文的指導外對於認真做學問的態度更是受其薰陶在這兩年

的研究生涯中著實令學生獲益良多謹此致上最誠摯的敬意與謝意並感謝國立成功

大學電機系教授洪茂峰老師的指導與建議與本系黃有榕老師百忙中撥空參加口試悉

心審閱並提供寶貴的意見與指導使得本論文更佳的完整最後要感謝本校材料系教授鐘

卓良老師在機台與材料的提供以及課業上的指導讓我腦袋裡又多長了一點知識僅致

以最深的謝意

同時感謝吳子煒學長謝明良學長莊心怡學姐於實驗器材和研究議題上的協助

感謝謝伯宗學長在暑假兩個月中教導了許多半導體的知識與技能亦要感謝同窗兩年的

研究夥伴郭家銘李碩恆在機台上的傳授研究上的討論都給予寶貴的知識與建議在

此也感謝碩二諸位朋友的鼓勵使得本論文得以愉快的順利完成

最後僅將拙著獻給我最敬愛的父母弟弟以及及乃晨感謝他們對我的鼓勵與支持

願今日的這份成果與我生命中的重要角色共同分享

IV

目錄

摘要 I

Abstract II

誌謝 III

目錄 IV

圖目錄 VI

表目錄 IX

第一章 緒論 1

11 研究目的與動機 1

12 論文大綱 2

第二章 理論基礎與相關研究 3

21 有機無機複合材料之簡介 3

211 有機無機複合材料在電容之應用 3

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質 4

213 鈦酸鋇的介電特性 8

22 介電理論 10

221 簡介 10

222 相對介電常數(Relative Permittivity) 13

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質 14

214 有機無機複合材料之介電性質 15

第三章實驗方法 20

31 實驗步驟與實驗材料 20

311 陶瓷粉末與聚合物混合 20

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究 33

41 不同硬化溫度對介電特性的影響 33

V

42 製程方式對介電特性之影響 37

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響 41

44 粉體粒徑對介電常數的影響 51

45 材料種類對介電常數的影響 52

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值 54

47 添加導電粉體對介電特性的影響 56

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響 56

472 添加鋁粉添對介電特性的影響 65

第五章 結論 76

參考文獻 78

VI

圖目錄

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖 5

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常數變化 6

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移 7

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線 8

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數 9

圖 26 四種極化機制圖 12

圖 27 六種不同極化方式圖 12

圖 28 電偶極極化現象圖 13

圖 29 極化機制和頻率之關係圖 14

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象 15

圖 31 實驗流程圖 25

圖 32 電容膏配製流程 25

圖 33 樣品上視圖 26

圖 34 樣品截面圖 26

圖 35 三滾筒 27

圖 36 NETZSCH DSC 404 28

圖 37 平面自動網版印刷機 29

圖 38 旋轉塗佈機 30

圖 39 光學顯微鏡 31

圖 310 掃描式電子顯微鏡 32

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA 34

圖 42 硬化過程示意圖 35

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數 36

VII

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響 38

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖 38

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 39

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 40

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損 42

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt(e)60wt

的樣品橫截面圖 43

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt(e)60wt

的樣品橫截面圖 45

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 46

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損 47

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 48

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損 49

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 50

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損 52

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損 53

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係 55

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt8wt

10wt碳粉的介電特性與介電損 58

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖 61

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 62

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM 截面圖

64

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損 67

VIII

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響 68

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試片截面

OM 圖 70

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 71

圖 427 Al 添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖 75

IX

表目錄

表 31 ITK5517 樹脂資料表 21

表 32 Y5V 陶瓷粉末資料表 22

表 33 導體膠 NT-6116 資料表 23

表 41 碳黑添加量對複合材料特性的影響 57

表 42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響 66

1

第一章 緒論

11 研究目的與動機

內藏式被動元件基板(Embedded Passive Board)技術是軟板電路相當受到矚

目的新興領域雖然表面黏著元件的組裝型式具有簡便的優點然而若能利用印

刷方式將電阻及電容印製於軟性基板上由於與基板間少了銲接點可靠度可以

因而提高訊號傳遞的速度也可因此而提昇此外將電容元件整合於軟性材料

上更可以降低成本因此在本研究中將利用旋轉塗佈方式將電容製作於軟性基

板上

高分子陶瓷複合材料(Polymeric Ceramic Composites PCC) 是以絕緣高分子

材料為基材摻雜高介電特性陶瓷粉末使得高分子複合材料具有介電特性同

時兼顧傳統高分子易加工低耗能的優點另一方面高分子陶瓷複合材料具有

較輕的比重且依基材陶瓷粉末以及填充率的不同會展現不同的介電特性

高分子導電複合材料的這些優點 符合軟性電子產業輕薄短小可攜式低耗

能等的設計主流

利用旋轉塗佈製程印製電容元件在軟性基板上具有降低成本製程易加工

輕薄短小可撓曲等優點電容材上必頇具備高介電常數的電容材料同

時介電損失必頇很低其他的需求包括低溫製程(lt250)符合軟板需求可

形成厚膜(2-100μm)低吸濕性與基板接著性良好良好之機械強度良好之

化學穩定性等陶瓷雖具有高介電常數但需高溫燒結無法用於軟板或PCB 製

程且單純陶瓷太脆加工性差與導體黏著性不佳另一方面高分子具低溫

製程柔軟性接著性良好等優點唯其介電常數太低因此兼具高分子之機械

性質與陶瓷高介電性質的高分子－陶瓷複合材料是此種電容材料的最佳選擇也

2

是目前內藏式電容介電材料發展的主要趨勢

複合材料的成份主要為環氧樹脂與高介電陶瓷(如鈦酸鋇等)混摻製成但分

散在環氧樹脂基質中的球形陶瓷粉體由於偶極排列不規則使得電偶極偏極化的

效應會被抵銷單由添加高含量高介電常數的陶瓷粉體來提供複合材料的介電常

數值是相當有限的而且添加量過高將使得基板的機械性質降低與導體間的接

著力將大幅下降這是目前高介電有機無機複合式基板(內藏式電容基板)的主要

研究議題如何製備高介電複合材料同時不經過高溫燒結而能維持原來介電材

料之高介電常數是目前電子產業研究開發的瓶頸與重點

本研究利用利用導電性粉末於施加電場時所產生的空間電荷極化(space

charges polarization)使可移動的電荷受界面阻擾或被材料拘留住提高複合材

料之極化值進而提高介電常數此方式提供了增進高分子－陶瓷複合材料介電常

數的另一途徑

12 論文大綱

本研究將探討填料種類與含量對複合材料介電性質之影響藉由控制陶瓷及

導體粉末含量以期獲得高介電常數低介電損失的環氧樹脂奈米複合材料

本論文架構總共分成五個章節第一章介紹高分子－陶瓷複合材料的重要性

第二章針對高分子－陶瓷複合材料的相關理論作一介紹第三章則是軟性基板上

電容元件之實驗方法第四章是軟性基板上電容元件介電特性研究第五章為結

論

3

第二章 理論基礎與相關研究

21 有機無機複合材料之簡介

有機-無機複合材料(Organic-inorganic composite materials)的研究最近逐漸受

到重視這是結合有機高分子及陶瓷材料的新興材料領域因為混合後材料特性

改變使得其應用範圍擴大有機-無機混合技術可概分為以下兩種方法(1)層間

插入法(Intercalation)及(2)溶膠-凝膠法(Sol-gel)有機-無機複合材料具有結合兩種

組成物質性質的優點除此之外由於兩者間生成物理或化學性結合的可能性很

高因此可能產生特殊性質在控制製程條件及調整有機無機物含量的情況下

有機無機複合材料具有高均勻性質與改良之介電性質表面性質機械性質及熱

性質

211 有機無機複合材料在電容之應用

陶瓷電容材料的應用相當廣泛但其製程需要高溫燒結無法應用在有機基

板或 PCB 上因此高分子陶瓷粉體複合材料乃隨之興起其中陶瓷材料是高介

電值的粉體藉由樹酯與高分子的相容特性可用於一般基板或 PCB 製程來完

成埋入式電容的製作

為了使高分子陶瓷粉體複合材料有良好的特性包括電性與熱安定性基

本上可由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來決定例如低溫硬化高溫穩定性佳

柔軟性及內層介電層與基板的良好接著性必頇由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來

達成為了要使樹酯與陶瓷粉體間有良好的結合性並減低脆性一方面要對陶

瓷的表面作處理提高其與樹酯間的相容性另一方面必頇有良好的分散技術

使原不相容的兩種材料可能形成混合均勻的膠體且厚度均勻與少缺陷

4

在樹脂系統的選擇上最好是可與基板材料相容例如在 PCB 的應用上

通常會優先選擇環氧樹酯系統因其 Tg 高且與金屬層和基板均有良好的接著性

至於陶瓷粉體材料通常會選擇具有自發性極化的強介電性(Ferroelectric)陶瓷粉

體常用的陶瓷粉體有 BaTiO3 以及 PMN-PT(鉛鎂鈮-鉛鈦) 兩種陶瓷材料分別

具有很高的介電常數值 3000~8000 以及 18000其中 PMN-PT 雖然介電常數很

高但組成中含鉛在環保問題考慮下一般電容材料都以價格較便宜供應量

穩定的 BaTiO3 為主

電容器的功用在於暫時儲存電路中的電能它是以電荷的形式來儲存能量

電容器的構造是由兩片非常靠近的導體所構成當電路中的電壓突然升高時電

極上會積存更多的電荷因此導體的面積越大可以儲存的電荷量便越多電

容值也越大 此外兩片電極之間的距離與中間介電物質（絕緣體）的介電特

性也會影響電容值電極間靠得越近由於正負電荷相互吸引的關係電極板

上就會累積較多的電荷至於介電物質對於電容的影響牽涉到材料本身的分子

結構像鈦酸鋇就有較高的介電常數因此是陶瓷電容中最常使用的介電材料

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質

鈦酸鋇(BaTiO3)具有非中心對稱屬於 ABO3 型鈣鈦礦(Perovskite)結構其結

構如圖 21 所示其中 A2+離子(如 Ba

2+ )與氧離子(O

2minus )共同組成面心結構(Face

centered cubic)而 B4+離子(如 Ti

4+ )則位於氧離子所構成的八面體(Octahedral site)

的位置隨溫度的改變鈦酸鋇的鈣鈦礦結構還有許多晶體結構上的變化如圖

27 (a)所示隨著相轉變將伴隨單位晶胞尺寸的改變如圖 22(b)

5

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖[1]

(a)

6

(b)

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常

數變化[1]

在 130 0C 以上鈦酸鋇是屬於立方結構其晶格常數約為 4 A

0此時結構

具對稱性沒有自發性極化從 130 0C 到 0

0C則為正方晶(Tetragonal)結構

由於鈦離子和氧離子的反相位移鈦離子會稍微偏離體心位置沿lt100gt方向產

生自發性極化到了 0 0C 以下又轉變為單斜晶(Monoclinic)或斜方晶(Orthor

hombic)最後溫度低於﹣90 0C 時則呈現菱形晶(Rhombohedral)結構鈦酸鋇

於不同溫度的相轉移使原本位於八面體中心的 Ti4+離子有分別朝lt100gt向

lt110gt方向及lt111gt方向偏移的可能於是乎每一個單位晶胞產生一電偶極(Elec

tric dipole)圖 23 顯示了正方晶結構於lt100gt方向極化時鈦及鋇離子相對於氧

離子的相對位移量這些電偶極能因相互作用而沿相同的方向排列使得材料中

某一區域有電偶矩(Dipole moment)此現象稱為自發極化(Spontaneous polariz

ation)自發極化所產生的極矩由於產生各極矩的晶域(Domain)方向不一而相互

抵銷因此試片之淨極矩為零鈦酸鋇在 130 0C 以下有自發性極化產生具

有可逆之典型電場―極化遲滯曲線固為鐵電材料而劃分此一界線的溫度

1300C 也就稱為鈦酸鋇的居禮溫度(Cuire temperatureTc)在 Tc 以下的兩個相變

7

化結構也都具有鐵電性晶體結構發生變化時介電率特別大這個現象可以從

圖 24 中介電常數隨溫度的變化明顯觀察到尤其在 Tc 附近介電常數可高達

10000 以上就是這個特性使得鈦酸鋇成為高介電率電容器中不可或缺的材

料

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移[1]

8

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線[1]

213 鈦酸鋇的介電特性

早期 Buessem[2]等人利用內應力的機構來解釋小晶粒具有高介電常數的原

因由於鈦酸鋇的介電常數（permittivity）隨內應力的增加而升高且小晶粒內

部的 90 度晶域幾乎不存在導致鈦酸鋇由立方結構變成正方結構時所產生的

內應力在居禮溫度以下無法藉由產生 90 度晶域的形式得到抵銷因而具有較

高的介電性質

另外根據 Martirena[3]等人的研究指出高純度鈦酸鋇的介電常數最高值

發生在晶粒大小約為 07μm 左右其原因是由於在此大小附近一個晶粒約等

於一個晶域此種微結構的晶域界會因晶界的大量增多而限制晶域界的移動或

轉動而不像大晶粒中的晶域界容易朝相互抵銷極化的方向方向運動近來根據

Arlt[4]等人的研究指出當晶粒尺寸大於 10μm 以上時其介電常數值幾乎保

持一定值當晶粒尺寸介於 1~10μm 之間時介電常數則隨晶粒大小的減少而

增加並且於 1μm 左右達到一最大值之後則隨晶粒大小的減小而下降如

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

I

軟性基板厚膜電容元件之研究

研究生張鴻銘 指導教授陳立軒

義守大學電子工程研究所

摘要

本實驗是利用旋轉塗佈製程在軟性基板上製作電容元件高分子樹脂本身介電常

數低藉由添加高介電常數之陶瓷粉末提高介電常數利用三軸滾筒將陶瓷粉末摻入

樹脂中並藉由添加不同材料與不同比例的陶瓷粉末探討陶瓷粉末之添加比例對介電

特性的影響利用導電粉末的界面偏極化作用以增加複合材料介電常數探討不同比

例的導體粉末添加量對介電特性的影響

本研究並發現此高分子複合材料其介電特性的關係隨著陶瓷粉末不同添加比例而

有所不同並且利用導電性粉末的界面極化機構大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料

之介電常數當 ITK5517 樹脂 50wt添加 BaTiO350wt時再添加鋁粉 25wt 頻率為

1kHz 時介電常數為 127(1kHz)介電損為 005

關鍵詞鈦酸鋇樹脂介電常數電容

II

Study of Thick-Film Capacitors on Flexible Substrates

Student Hung-Ming Chang Advisor Lih-Shan Chen

Department of Electronic Engineering

I-Shou University

Abstract

The capacitors were fabricated on flexible substrates by using spin coating process various

ratio of high dielectric constant ceramic materials were mixed with low dielectric constant

resins by a triple roller The effect of high permittivity materials on the dielectric properties

were investigated In addition conductive materials were added in to the matrix to increase

dielectric constant of composites

Dielectric properties of the composite depend on the amount of high permittivity ceramics

and higher amount of ceramics result in higher dielectric constant The dielectric constant of

25wt al added 50wt BaTiO3+50 wtITK5517 specimen is 127 measured at 1kHz and

dissipation factor is 005 The addition of conductive Al particles greatly enhance dielectric

constant of the composites

Keyword Barium TitanateResinDielectric ConstantCapactor

III

誌謝

本論文得以順利完成首先要感謝指導教授陳立軒老師在學業上的細心教導與懇切

關懷除了得到課業與論文的指導外對於認真做學問的態度更是受其薰陶在這兩年

的研究生涯中著實令學生獲益良多謹此致上最誠摯的敬意與謝意並感謝國立成功

大學電機系教授洪茂峰老師的指導與建議與本系黃有榕老師百忙中撥空參加口試悉

心審閱並提供寶貴的意見與指導使得本論文更佳的完整最後要感謝本校材料系教授鐘

卓良老師在機台與材料的提供以及課業上的指導讓我腦袋裡又多長了一點知識僅致

以最深的謝意

同時感謝吳子煒學長謝明良學長莊心怡學姐於實驗器材和研究議題上的協助

感謝謝伯宗學長在暑假兩個月中教導了許多半導體的知識與技能亦要感謝同窗兩年的

研究夥伴郭家銘李碩恆在機台上的傳授研究上的討論都給予寶貴的知識與建議在

此也感謝碩二諸位朋友的鼓勵使得本論文得以愉快的順利完成

最後僅將拙著獻給我最敬愛的父母弟弟以及及乃晨感謝他們對我的鼓勵與支持

願今日的這份成果與我生命中的重要角色共同分享

IV

目錄

摘要 I

Abstract II

誌謝 III

目錄 IV

圖目錄 VI

表目錄 IX

第一章 緒論 1

11 研究目的與動機 1

12 論文大綱 2

第二章 理論基礎與相關研究 3

21 有機無機複合材料之簡介 3

211 有機無機複合材料在電容之應用 3

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質 4

213 鈦酸鋇的介電特性 8

22 介電理論 10

221 簡介 10

222 相對介電常數(Relative Permittivity) 13

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質 14

214 有機無機複合材料之介電性質 15

第三章實驗方法 20

31 實驗步驟與實驗材料 20

311 陶瓷粉末與聚合物混合 20

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究 33

41 不同硬化溫度對介電特性的影響 33

V

42 製程方式對介電特性之影響 37

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響 41

44 粉體粒徑對介電常數的影響 51

45 材料種類對介電常數的影響 52

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值 54

47 添加導電粉體對介電特性的影響 56

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響 56

472 添加鋁粉添對介電特性的影響 65

第五章 結論 76

參考文獻 78

VI

圖目錄

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖 5

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常數變化 6

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移 7

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線 8

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數 9

圖 26 四種極化機制圖 12

圖 27 六種不同極化方式圖 12

圖 28 電偶極極化現象圖 13

圖 29 極化機制和頻率之關係圖 14

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象 15

圖 31 實驗流程圖 25

圖 32 電容膏配製流程 25

圖 33 樣品上視圖 26

圖 34 樣品截面圖 26

圖 35 三滾筒 27

圖 36 NETZSCH DSC 404 28

圖 37 平面自動網版印刷機 29

圖 38 旋轉塗佈機 30

圖 39 光學顯微鏡 31

圖 310 掃描式電子顯微鏡 32

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA 34

圖 42 硬化過程示意圖 35

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數 36

VII

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響 38

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖 38

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 39

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 40

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損 42

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt(e)60wt

的樣品橫截面圖 43

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt(e)60wt

的樣品橫截面圖 45

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 46

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損 47

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 48

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損 49

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 50

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損 52

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損 53

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係 55

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt8wt

10wt碳粉的介電特性與介電損 58

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖 61

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 62

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM 截面圖

64

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損 67

VIII

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響 68

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試片截面

OM 圖 70

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 71

圖 427 Al 添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖 75

IX

表目錄

表 31 ITK5517 樹脂資料表 21

表 32 Y5V 陶瓷粉末資料表 22

表 33 導體膠 NT-6116 資料表 23

表 41 碳黑添加量對複合材料特性的影響 57

表 42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響 66

1

第一章 緒論

11 研究目的與動機

內藏式被動元件基板(Embedded Passive Board)技術是軟板電路相當受到矚

目的新興領域雖然表面黏著元件的組裝型式具有簡便的優點然而若能利用印

刷方式將電阻及電容印製於軟性基板上由於與基板間少了銲接點可靠度可以

因而提高訊號傳遞的速度也可因此而提昇此外將電容元件整合於軟性材料

上更可以降低成本因此在本研究中將利用旋轉塗佈方式將電容製作於軟性基

板上

高分子陶瓷複合材料(Polymeric Ceramic Composites PCC) 是以絕緣高分子

材料為基材摻雜高介電特性陶瓷粉末使得高分子複合材料具有介電特性同

時兼顧傳統高分子易加工低耗能的優點另一方面高分子陶瓷複合材料具有

較輕的比重且依基材陶瓷粉末以及填充率的不同會展現不同的介電特性

高分子導電複合材料的這些優點 符合軟性電子產業輕薄短小可攜式低耗

能等的設計主流

利用旋轉塗佈製程印製電容元件在軟性基板上具有降低成本製程易加工

輕薄短小可撓曲等優點電容材上必頇具備高介電常數的電容材料同

時介電損失必頇很低其他的需求包括低溫製程(lt250)符合軟板需求可

形成厚膜(2-100μm)低吸濕性與基板接著性良好良好之機械強度良好之

化學穩定性等陶瓷雖具有高介電常數但需高溫燒結無法用於軟板或PCB 製

程且單純陶瓷太脆加工性差與導體黏著性不佳另一方面高分子具低溫

製程柔軟性接著性良好等優點唯其介電常數太低因此兼具高分子之機械

性質與陶瓷高介電性質的高分子－陶瓷複合材料是此種電容材料的最佳選擇也

2

是目前內藏式電容介電材料發展的主要趨勢

複合材料的成份主要為環氧樹脂與高介電陶瓷(如鈦酸鋇等)混摻製成但分

散在環氧樹脂基質中的球形陶瓷粉體由於偶極排列不規則使得電偶極偏極化的

效應會被抵銷單由添加高含量高介電常數的陶瓷粉體來提供複合材料的介電常

數值是相當有限的而且添加量過高將使得基板的機械性質降低與導體間的接

著力將大幅下降這是目前高介電有機無機複合式基板(內藏式電容基板)的主要

研究議題如何製備高介電複合材料同時不經過高溫燒結而能維持原來介電材

料之高介電常數是目前電子產業研究開發的瓶頸與重點

本研究利用利用導電性粉末於施加電場時所產生的空間電荷極化(space

charges polarization)使可移動的電荷受界面阻擾或被材料拘留住提高複合材

料之極化值進而提高介電常數此方式提供了增進高分子－陶瓷複合材料介電常

數的另一途徑

12 論文大綱

本研究將探討填料種類與含量對複合材料介電性質之影響藉由控制陶瓷及

導體粉末含量以期獲得高介電常數低介電損失的環氧樹脂奈米複合材料

本論文架構總共分成五個章節第一章介紹高分子－陶瓷複合材料的重要性

第二章針對高分子－陶瓷複合材料的相關理論作一介紹第三章則是軟性基板上

電容元件之實驗方法第四章是軟性基板上電容元件介電特性研究第五章為結

論

3

第二章 理論基礎與相關研究

21 有機無機複合材料之簡介

有機-無機複合材料(Organic-inorganic composite materials)的研究最近逐漸受

到重視這是結合有機高分子及陶瓷材料的新興材料領域因為混合後材料特性

改變使得其應用範圍擴大有機-無機混合技術可概分為以下兩種方法(1)層間

插入法(Intercalation)及(2)溶膠-凝膠法(Sol-gel)有機-無機複合材料具有結合兩種

組成物質性質的優點除此之外由於兩者間生成物理或化學性結合的可能性很

高因此可能產生特殊性質在控制製程條件及調整有機無機物含量的情況下

有機無機複合材料具有高均勻性質與改良之介電性質表面性質機械性質及熱

性質

211 有機無機複合材料在電容之應用

陶瓷電容材料的應用相當廣泛但其製程需要高溫燒結無法應用在有機基

板或 PCB 上因此高分子陶瓷粉體複合材料乃隨之興起其中陶瓷材料是高介

電值的粉體藉由樹酯與高分子的相容特性可用於一般基板或 PCB 製程來完

成埋入式電容的製作

為了使高分子陶瓷粉體複合材料有良好的特性包括電性與熱安定性基

本上可由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來決定例如低溫硬化高溫穩定性佳

柔軟性及內層介電層與基板的良好接著性必頇由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來

達成為了要使樹酯與陶瓷粉體間有良好的結合性並減低脆性一方面要對陶

瓷的表面作處理提高其與樹酯間的相容性另一方面必頇有良好的分散技術

使原不相容的兩種材料可能形成混合均勻的膠體且厚度均勻與少缺陷

4

在樹脂系統的選擇上最好是可與基板材料相容例如在 PCB 的應用上

通常會優先選擇環氧樹酯系統因其 Tg 高且與金屬層和基板均有良好的接著性

至於陶瓷粉體材料通常會選擇具有自發性極化的強介電性(Ferroelectric)陶瓷粉

體常用的陶瓷粉體有 BaTiO3 以及 PMN-PT(鉛鎂鈮-鉛鈦) 兩種陶瓷材料分別

具有很高的介電常數值 3000~8000 以及 18000其中 PMN-PT 雖然介電常數很

高但組成中含鉛在環保問題考慮下一般電容材料都以價格較便宜供應量

穩定的 BaTiO3 為主

電容器的功用在於暫時儲存電路中的電能它是以電荷的形式來儲存能量

電容器的構造是由兩片非常靠近的導體所構成當電路中的電壓突然升高時電

極上會積存更多的電荷因此導體的面積越大可以儲存的電荷量便越多電

容值也越大 此外兩片電極之間的距離與中間介電物質（絕緣體）的介電特

性也會影響電容值電極間靠得越近由於正負電荷相互吸引的關係電極板

上就會累積較多的電荷至於介電物質對於電容的影響牽涉到材料本身的分子

結構像鈦酸鋇就有較高的介電常數因此是陶瓷電容中最常使用的介電材料

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質

鈦酸鋇(BaTiO3)具有非中心對稱屬於 ABO3 型鈣鈦礦(Perovskite)結構其結

構如圖 21 所示其中 A2+離子(如 Ba

2+ )與氧離子(O

2minus )共同組成面心結構(Face

centered cubic)而 B4+離子(如 Ti

4+ )則位於氧離子所構成的八面體(Octahedral site)

的位置隨溫度的改變鈦酸鋇的鈣鈦礦結構還有許多晶體結構上的變化如圖

27 (a)所示隨著相轉變將伴隨單位晶胞尺寸的改變如圖 22(b)

5

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖[1]

(a)

6

(b)

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常

數變化[1]

在 130 0C 以上鈦酸鋇是屬於立方結構其晶格常數約為 4 A

0此時結構

具對稱性沒有自發性極化從 130 0C 到 0

0C則為正方晶(Tetragonal)結構

由於鈦離子和氧離子的反相位移鈦離子會稍微偏離體心位置沿lt100gt方向產

生自發性極化到了 0 0C 以下又轉變為單斜晶(Monoclinic)或斜方晶(Orthor

hombic)最後溫度低於﹣90 0C 時則呈現菱形晶(Rhombohedral)結構鈦酸鋇

於不同溫度的相轉移使原本位於八面體中心的 Ti4+離子有分別朝lt100gt向

lt110gt方向及lt111gt方向偏移的可能於是乎每一個單位晶胞產生一電偶極(Elec

tric dipole)圖 23 顯示了正方晶結構於lt100gt方向極化時鈦及鋇離子相對於氧

離子的相對位移量這些電偶極能因相互作用而沿相同的方向排列使得材料中

某一區域有電偶矩(Dipole moment)此現象稱為自發極化(Spontaneous polariz

ation)自發極化所產生的極矩由於產生各極矩的晶域(Domain)方向不一而相互

抵銷因此試片之淨極矩為零鈦酸鋇在 130 0C 以下有自發性極化產生具

有可逆之典型電場―極化遲滯曲線固為鐵電材料而劃分此一界線的溫度

1300C 也就稱為鈦酸鋇的居禮溫度(Cuire temperatureTc)在 Tc 以下的兩個相變

7

化結構也都具有鐵電性晶體結構發生變化時介電率特別大這個現象可以從

圖 24 中介電常數隨溫度的變化明顯觀察到尤其在 Tc 附近介電常數可高達

10000 以上就是這個特性使得鈦酸鋇成為高介電率電容器中不可或缺的材

料

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移[1]

8

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線[1]

213 鈦酸鋇的介電特性

早期 Buessem[2]等人利用內應力的機構來解釋小晶粒具有高介電常數的原

因由於鈦酸鋇的介電常數（permittivity）隨內應力的增加而升高且小晶粒內

部的 90 度晶域幾乎不存在導致鈦酸鋇由立方結構變成正方結構時所產生的

內應力在居禮溫度以下無法藉由產生 90 度晶域的形式得到抵銷因而具有較

高的介電性質

另外根據 Martirena[3]等人的研究指出高純度鈦酸鋇的介電常數最高值

發生在晶粒大小約為 07μm 左右其原因是由於在此大小附近一個晶粒約等

於一個晶域此種微結構的晶域界會因晶界的大量增多而限制晶域界的移動或

轉動而不像大晶粒中的晶域界容易朝相互抵銷極化的方向方向運動近來根據

Arlt[4]等人的研究指出當晶粒尺寸大於 10μm 以上時其介電常數值幾乎保

持一定值當晶粒尺寸介於 1~10μm 之間時介電常數則隨晶粒大小的減少而

增加並且於 1μm 左右達到一最大值之後則隨晶粒大小的減小而下降如

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

II

Study of Thick-Film Capacitors on Flexible Substrates

Student Hung-Ming Chang Advisor Lih-Shan Chen

Department of Electronic Engineering

I-Shou University

Abstract

The capacitors were fabricated on flexible substrates by using spin coating process various

ratio of high dielectric constant ceramic materials were mixed with low dielectric constant

resins by a triple roller The effect of high permittivity materials on the dielectric properties

were investigated In addition conductive materials were added in to the matrix to increase

dielectric constant of composites

Dielectric properties of the composite depend on the amount of high permittivity ceramics

and higher amount of ceramics result in higher dielectric constant The dielectric constant of

25wt al added 50wt BaTiO3+50 wtITK5517 specimen is 127 measured at 1kHz and

dissipation factor is 005 The addition of conductive Al particles greatly enhance dielectric

constant of the composites

Keyword Barium TitanateResinDielectric ConstantCapactor

III

誌謝

本論文得以順利完成首先要感謝指導教授陳立軒老師在學業上的細心教導與懇切

關懷除了得到課業與論文的指導外對於認真做學問的態度更是受其薰陶在這兩年

的研究生涯中著實令學生獲益良多謹此致上最誠摯的敬意與謝意並感謝國立成功

大學電機系教授洪茂峰老師的指導與建議與本系黃有榕老師百忙中撥空參加口試悉

心審閱並提供寶貴的意見與指導使得本論文更佳的完整最後要感謝本校材料系教授鐘

卓良老師在機台與材料的提供以及課業上的指導讓我腦袋裡又多長了一點知識僅致

以最深的謝意

同時感謝吳子煒學長謝明良學長莊心怡學姐於實驗器材和研究議題上的協助

感謝謝伯宗學長在暑假兩個月中教導了許多半導體的知識與技能亦要感謝同窗兩年的

研究夥伴郭家銘李碩恆在機台上的傳授研究上的討論都給予寶貴的知識與建議在

此也感謝碩二諸位朋友的鼓勵使得本論文得以愉快的順利完成

最後僅將拙著獻給我最敬愛的父母弟弟以及及乃晨感謝他們對我的鼓勵與支持

願今日的這份成果與我生命中的重要角色共同分享

IV

目錄

摘要 I

Abstract II

誌謝 III

目錄 IV

圖目錄 VI

表目錄 IX

第一章 緒論 1

11 研究目的與動機 1

12 論文大綱 2

第二章 理論基礎與相關研究 3

21 有機無機複合材料之簡介 3

211 有機無機複合材料在電容之應用 3

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質 4

213 鈦酸鋇的介電特性 8

22 介電理論 10

221 簡介 10

222 相對介電常數(Relative Permittivity) 13

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質 14

214 有機無機複合材料之介電性質 15

第三章實驗方法 20

31 實驗步驟與實驗材料 20

311 陶瓷粉末與聚合物混合 20

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究 33

41 不同硬化溫度對介電特性的影響 33

V

42 製程方式對介電特性之影響 37

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響 41

44 粉體粒徑對介電常數的影響 51

45 材料種類對介電常數的影響 52

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值 54

47 添加導電粉體對介電特性的影響 56

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響 56

472 添加鋁粉添對介電特性的影響 65

第五章 結論 76

參考文獻 78

VI

圖目錄

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖 5

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常數變化 6

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移 7

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線 8

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數 9

圖 26 四種極化機制圖 12

圖 27 六種不同極化方式圖 12

圖 28 電偶極極化現象圖 13

圖 29 極化機制和頻率之關係圖 14

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象 15

圖 31 實驗流程圖 25

圖 32 電容膏配製流程 25

圖 33 樣品上視圖 26

圖 34 樣品截面圖 26

圖 35 三滾筒 27

圖 36 NETZSCH DSC 404 28

圖 37 平面自動網版印刷機 29

圖 38 旋轉塗佈機 30

圖 39 光學顯微鏡 31

圖 310 掃描式電子顯微鏡 32

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA 34

圖 42 硬化過程示意圖 35

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數 36

VII

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響 38

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖 38

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 39

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 40

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損 42

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt(e)60wt

的樣品橫截面圖 43

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt(e)60wt

的樣品橫截面圖 45

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 46

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損 47

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 48

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損 49

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 50

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損 52

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損 53

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係 55

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt8wt

10wt碳粉的介電特性與介電損 58

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖 61

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 62

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM 截面圖

64

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損 67

VIII

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響 68

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試片截面

OM 圖 70

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 71

圖 427 Al 添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖 75

IX

表目錄

表 31 ITK5517 樹脂資料表 21

表 32 Y5V 陶瓷粉末資料表 22

表 33 導體膠 NT-6116 資料表 23

表 41 碳黑添加量對複合材料特性的影響 57

表 42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響 66

1

第一章 緒論

11 研究目的與動機

內藏式被動元件基板(Embedded Passive Board)技術是軟板電路相當受到矚

目的新興領域雖然表面黏著元件的組裝型式具有簡便的優點然而若能利用印

刷方式將電阻及電容印製於軟性基板上由於與基板間少了銲接點可靠度可以

因而提高訊號傳遞的速度也可因此而提昇此外將電容元件整合於軟性材料

上更可以降低成本因此在本研究中將利用旋轉塗佈方式將電容製作於軟性基

板上

高分子陶瓷複合材料(Polymeric Ceramic Composites PCC) 是以絕緣高分子

材料為基材摻雜高介電特性陶瓷粉末使得高分子複合材料具有介電特性同

時兼顧傳統高分子易加工低耗能的優點另一方面高分子陶瓷複合材料具有

較輕的比重且依基材陶瓷粉末以及填充率的不同會展現不同的介電特性

高分子導電複合材料的這些優點 符合軟性電子產業輕薄短小可攜式低耗

能等的設計主流

利用旋轉塗佈製程印製電容元件在軟性基板上具有降低成本製程易加工

輕薄短小可撓曲等優點電容材上必頇具備高介電常數的電容材料同

時介電損失必頇很低其他的需求包括低溫製程(lt250)符合軟板需求可

形成厚膜(2-100μm)低吸濕性與基板接著性良好良好之機械強度良好之

化學穩定性等陶瓷雖具有高介電常數但需高溫燒結無法用於軟板或PCB 製

程且單純陶瓷太脆加工性差與導體黏著性不佳另一方面高分子具低溫

製程柔軟性接著性良好等優點唯其介電常數太低因此兼具高分子之機械

性質與陶瓷高介電性質的高分子－陶瓷複合材料是此種電容材料的最佳選擇也

2

是目前內藏式電容介電材料發展的主要趨勢

複合材料的成份主要為環氧樹脂與高介電陶瓷(如鈦酸鋇等)混摻製成但分

散在環氧樹脂基質中的球形陶瓷粉體由於偶極排列不規則使得電偶極偏極化的

效應會被抵銷單由添加高含量高介電常數的陶瓷粉體來提供複合材料的介電常

數值是相當有限的而且添加量過高將使得基板的機械性質降低與導體間的接

著力將大幅下降這是目前高介電有機無機複合式基板(內藏式電容基板)的主要

研究議題如何製備高介電複合材料同時不經過高溫燒結而能維持原來介電材

料之高介電常數是目前電子產業研究開發的瓶頸與重點

本研究利用利用導電性粉末於施加電場時所產生的空間電荷極化(space

charges polarization)使可移動的電荷受界面阻擾或被材料拘留住提高複合材

料之極化值進而提高介電常數此方式提供了增進高分子－陶瓷複合材料介電常

數的另一途徑

12 論文大綱

本研究將探討填料種類與含量對複合材料介電性質之影響藉由控制陶瓷及

導體粉末含量以期獲得高介電常數低介電損失的環氧樹脂奈米複合材料

本論文架構總共分成五個章節第一章介紹高分子－陶瓷複合材料的重要性

第二章針對高分子－陶瓷複合材料的相關理論作一介紹第三章則是軟性基板上

電容元件之實驗方法第四章是軟性基板上電容元件介電特性研究第五章為結

論

3

第二章 理論基礎與相關研究

21 有機無機複合材料之簡介

有機-無機複合材料(Organic-inorganic composite materials)的研究最近逐漸受

到重視這是結合有機高分子及陶瓷材料的新興材料領域因為混合後材料特性

改變使得其應用範圍擴大有機-無機混合技術可概分為以下兩種方法(1)層間

插入法(Intercalation)及(2)溶膠-凝膠法(Sol-gel)有機-無機複合材料具有結合兩種

組成物質性質的優點除此之外由於兩者間生成物理或化學性結合的可能性很

高因此可能產生特殊性質在控制製程條件及調整有機無機物含量的情況下

有機無機複合材料具有高均勻性質與改良之介電性質表面性質機械性質及熱

性質

211 有機無機複合材料在電容之應用

陶瓷電容材料的應用相當廣泛但其製程需要高溫燒結無法應用在有機基

板或 PCB 上因此高分子陶瓷粉體複合材料乃隨之興起其中陶瓷材料是高介

電值的粉體藉由樹酯與高分子的相容特性可用於一般基板或 PCB 製程來完

成埋入式電容的製作

為了使高分子陶瓷粉體複合材料有良好的特性包括電性與熱安定性基

本上可由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來決定例如低溫硬化高溫穩定性佳

柔軟性及內層介電層與基板的良好接著性必頇由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來

達成為了要使樹酯與陶瓷粉體間有良好的結合性並減低脆性一方面要對陶

瓷的表面作處理提高其與樹酯間的相容性另一方面必頇有良好的分散技術

使原不相容的兩種材料可能形成混合均勻的膠體且厚度均勻與少缺陷

4

在樹脂系統的選擇上最好是可與基板材料相容例如在 PCB 的應用上

通常會優先選擇環氧樹酯系統因其 Tg 高且與金屬層和基板均有良好的接著性

至於陶瓷粉體材料通常會選擇具有自發性極化的強介電性(Ferroelectric)陶瓷粉

體常用的陶瓷粉體有 BaTiO3 以及 PMN-PT(鉛鎂鈮-鉛鈦) 兩種陶瓷材料分別

具有很高的介電常數值 3000~8000 以及 18000其中 PMN-PT 雖然介電常數很

高但組成中含鉛在環保問題考慮下一般電容材料都以價格較便宜供應量

穩定的 BaTiO3 為主

電容器的功用在於暫時儲存電路中的電能它是以電荷的形式來儲存能量

電容器的構造是由兩片非常靠近的導體所構成當電路中的電壓突然升高時電

極上會積存更多的電荷因此導體的面積越大可以儲存的電荷量便越多電

容值也越大 此外兩片電極之間的距離與中間介電物質（絕緣體）的介電特

性也會影響電容值電極間靠得越近由於正負電荷相互吸引的關係電極板

上就會累積較多的電荷至於介電物質對於電容的影響牽涉到材料本身的分子

結構像鈦酸鋇就有較高的介電常數因此是陶瓷電容中最常使用的介電材料

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質

鈦酸鋇(BaTiO3)具有非中心對稱屬於 ABO3 型鈣鈦礦(Perovskite)結構其結

構如圖 21 所示其中 A2+離子(如 Ba

2+ )與氧離子(O

2minus )共同組成面心結構(Face

centered cubic)而 B4+離子(如 Ti

4+ )則位於氧離子所構成的八面體(Octahedral site)

的位置隨溫度的改變鈦酸鋇的鈣鈦礦結構還有許多晶體結構上的變化如圖

27 (a)所示隨著相轉變將伴隨單位晶胞尺寸的改變如圖 22(b)

5

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖[1]

(a)

6

(b)

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常

數變化[1]

在 130 0C 以上鈦酸鋇是屬於立方結構其晶格常數約為 4 A

0此時結構

具對稱性沒有自發性極化從 130 0C 到 0

0C則為正方晶(Tetragonal)結構

由於鈦離子和氧離子的反相位移鈦離子會稍微偏離體心位置沿lt100gt方向產

生自發性極化到了 0 0C 以下又轉變為單斜晶(Monoclinic)或斜方晶(Orthor

hombic)最後溫度低於﹣90 0C 時則呈現菱形晶(Rhombohedral)結構鈦酸鋇

於不同溫度的相轉移使原本位於八面體中心的 Ti4+離子有分別朝lt100gt向

lt110gt方向及lt111gt方向偏移的可能於是乎每一個單位晶胞產生一電偶極(Elec

tric dipole)圖 23 顯示了正方晶結構於lt100gt方向極化時鈦及鋇離子相對於氧

離子的相對位移量這些電偶極能因相互作用而沿相同的方向排列使得材料中

某一區域有電偶矩(Dipole moment)此現象稱為自發極化(Spontaneous polariz

ation)自發極化所產生的極矩由於產生各極矩的晶域(Domain)方向不一而相互

抵銷因此試片之淨極矩為零鈦酸鋇在 130 0C 以下有自發性極化產生具

有可逆之典型電場―極化遲滯曲線固為鐵電材料而劃分此一界線的溫度

1300C 也就稱為鈦酸鋇的居禮溫度(Cuire temperatureTc)在 Tc 以下的兩個相變

7

化結構也都具有鐵電性晶體結構發生變化時介電率特別大這個現象可以從

圖 24 中介電常數隨溫度的變化明顯觀察到尤其在 Tc 附近介電常數可高達

10000 以上就是這個特性使得鈦酸鋇成為高介電率電容器中不可或缺的材

料

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移[1]

8

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線[1]

213 鈦酸鋇的介電特性

早期 Buessem[2]等人利用內應力的機構來解釋小晶粒具有高介電常數的原

因由於鈦酸鋇的介電常數（permittivity）隨內應力的增加而升高且小晶粒內

部的 90 度晶域幾乎不存在導致鈦酸鋇由立方結構變成正方結構時所產生的

內應力在居禮溫度以下無法藉由產生 90 度晶域的形式得到抵銷因而具有較

高的介電性質

另外根據 Martirena[3]等人的研究指出高純度鈦酸鋇的介電常數最高值

發生在晶粒大小約為 07μm 左右其原因是由於在此大小附近一個晶粒約等

於一個晶域此種微結構的晶域界會因晶界的大量增多而限制晶域界的移動或

轉動而不像大晶粒中的晶域界容易朝相互抵銷極化的方向方向運動近來根據

Arlt[4]等人的研究指出當晶粒尺寸大於 10μm 以上時其介電常數值幾乎保

持一定值當晶粒尺寸介於 1~10μm 之間時介電常數則隨晶粒大小的減少而

增加並且於 1μm 左右達到一最大值之後則隨晶粒大小的減小而下降如

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

III

誌謝

本論文得以順利完成首先要感謝指導教授陳立軒老師在學業上的細心教導與懇切

關懷除了得到課業與論文的指導外對於認真做學問的態度更是受其薰陶在這兩年

的研究生涯中著實令學生獲益良多謹此致上最誠摯的敬意與謝意並感謝國立成功

大學電機系教授洪茂峰老師的指導與建議與本系黃有榕老師百忙中撥空參加口試悉

心審閱並提供寶貴的意見與指導使得本論文更佳的完整最後要感謝本校材料系教授鐘

卓良老師在機台與材料的提供以及課業上的指導讓我腦袋裡又多長了一點知識僅致

以最深的謝意

同時感謝吳子煒學長謝明良學長莊心怡學姐於實驗器材和研究議題上的協助

感謝謝伯宗學長在暑假兩個月中教導了許多半導體的知識與技能亦要感謝同窗兩年的

研究夥伴郭家銘李碩恆在機台上的傳授研究上的討論都給予寶貴的知識與建議在

此也感謝碩二諸位朋友的鼓勵使得本論文得以愉快的順利完成

最後僅將拙著獻給我最敬愛的父母弟弟以及及乃晨感謝他們對我的鼓勵與支持

願今日的這份成果與我生命中的重要角色共同分享

IV

目錄

摘要 I

Abstract II

誌謝 III

目錄 IV

圖目錄 VI

表目錄 IX

第一章 緒論 1

11 研究目的與動機 1

12 論文大綱 2

第二章 理論基礎與相關研究 3

21 有機無機複合材料之簡介 3

211 有機無機複合材料在電容之應用 3

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質 4

213 鈦酸鋇的介電特性 8

22 介電理論 10

221 簡介 10

222 相對介電常數(Relative Permittivity) 13

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質 14

214 有機無機複合材料之介電性質 15

第三章實驗方法 20

31 實驗步驟與實驗材料 20

311 陶瓷粉末與聚合物混合 20

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究 33

41 不同硬化溫度對介電特性的影響 33

V

42 製程方式對介電特性之影響 37

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響 41

44 粉體粒徑對介電常數的影響 51

45 材料種類對介電常數的影響 52

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值 54

47 添加導電粉體對介電特性的影響 56

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響 56

472 添加鋁粉添對介電特性的影響 65

第五章 結論 76

參考文獻 78

VI

圖目錄

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖 5

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常數變化 6

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移 7

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線 8

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數 9

圖 26 四種極化機制圖 12

圖 27 六種不同極化方式圖 12

圖 28 電偶極極化現象圖 13

圖 29 極化機制和頻率之關係圖 14

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象 15

圖 31 實驗流程圖 25

圖 32 電容膏配製流程 25

圖 33 樣品上視圖 26

圖 34 樣品截面圖 26

圖 35 三滾筒 27

圖 36 NETZSCH DSC 404 28

圖 37 平面自動網版印刷機 29

圖 38 旋轉塗佈機 30

圖 39 光學顯微鏡 31

圖 310 掃描式電子顯微鏡 32

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA 34

圖 42 硬化過程示意圖 35

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數 36

VII

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響 38

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖 38

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 39

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 40

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損 42

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt(e)60wt

的樣品橫截面圖 43

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt(e)60wt

的樣品橫截面圖 45

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 46

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損 47

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 48

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損 49

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 50

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損 52

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損 53

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係 55

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt8wt

10wt碳粉的介電特性與介電損 58

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖 61

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 62

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM 截面圖

64

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損 67

VIII

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響 68

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試片截面

OM 圖 70

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 71

圖 427 Al 添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖 75

IX

表目錄

表 31 ITK5517 樹脂資料表 21

表 32 Y5V 陶瓷粉末資料表 22

表 33 導體膠 NT-6116 資料表 23

表 41 碳黑添加量對複合材料特性的影響 57

表 42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響 66

1

第一章 緒論

11 研究目的與動機

內藏式被動元件基板(Embedded Passive Board)技術是軟板電路相當受到矚

目的新興領域雖然表面黏著元件的組裝型式具有簡便的優點然而若能利用印

刷方式將電阻及電容印製於軟性基板上由於與基板間少了銲接點可靠度可以

因而提高訊號傳遞的速度也可因此而提昇此外將電容元件整合於軟性材料

上更可以降低成本因此在本研究中將利用旋轉塗佈方式將電容製作於軟性基

板上

高分子陶瓷複合材料(Polymeric Ceramic Composites PCC) 是以絕緣高分子

材料為基材摻雜高介電特性陶瓷粉末使得高分子複合材料具有介電特性同

時兼顧傳統高分子易加工低耗能的優點另一方面高分子陶瓷複合材料具有

較輕的比重且依基材陶瓷粉末以及填充率的不同會展現不同的介電特性

高分子導電複合材料的這些優點 符合軟性電子產業輕薄短小可攜式低耗

能等的設計主流

利用旋轉塗佈製程印製電容元件在軟性基板上具有降低成本製程易加工

輕薄短小可撓曲等優點電容材上必頇具備高介電常數的電容材料同

時介電損失必頇很低其他的需求包括低溫製程(lt250)符合軟板需求可

形成厚膜(2-100μm)低吸濕性與基板接著性良好良好之機械強度良好之

化學穩定性等陶瓷雖具有高介電常數但需高溫燒結無法用於軟板或PCB 製

程且單純陶瓷太脆加工性差與導體黏著性不佳另一方面高分子具低溫

製程柔軟性接著性良好等優點唯其介電常數太低因此兼具高分子之機械

性質與陶瓷高介電性質的高分子－陶瓷複合材料是此種電容材料的最佳選擇也

2

是目前內藏式電容介電材料發展的主要趨勢

複合材料的成份主要為環氧樹脂與高介電陶瓷(如鈦酸鋇等)混摻製成但分

散在環氧樹脂基質中的球形陶瓷粉體由於偶極排列不規則使得電偶極偏極化的

效應會被抵銷單由添加高含量高介電常數的陶瓷粉體來提供複合材料的介電常

數值是相當有限的而且添加量過高將使得基板的機械性質降低與導體間的接

著力將大幅下降這是目前高介電有機無機複合式基板(內藏式電容基板)的主要

研究議題如何製備高介電複合材料同時不經過高溫燒結而能維持原來介電材

料之高介電常數是目前電子產業研究開發的瓶頸與重點

本研究利用利用導電性粉末於施加電場時所產生的空間電荷極化(space

charges polarization)使可移動的電荷受界面阻擾或被材料拘留住提高複合材

料之極化值進而提高介電常數此方式提供了增進高分子－陶瓷複合材料介電常

數的另一途徑

12 論文大綱

本研究將探討填料種類與含量對複合材料介電性質之影響藉由控制陶瓷及

導體粉末含量以期獲得高介電常數低介電損失的環氧樹脂奈米複合材料

本論文架構總共分成五個章節第一章介紹高分子－陶瓷複合材料的重要性

第二章針對高分子－陶瓷複合材料的相關理論作一介紹第三章則是軟性基板上

電容元件之實驗方法第四章是軟性基板上電容元件介電特性研究第五章為結

論

3

第二章 理論基礎與相關研究

21 有機無機複合材料之簡介

有機-無機複合材料(Organic-inorganic composite materials)的研究最近逐漸受

到重視這是結合有機高分子及陶瓷材料的新興材料領域因為混合後材料特性

改變使得其應用範圍擴大有機-無機混合技術可概分為以下兩種方法(1)層間

插入法(Intercalation)及(2)溶膠-凝膠法(Sol-gel)有機-無機複合材料具有結合兩種

組成物質性質的優點除此之外由於兩者間生成物理或化學性結合的可能性很

高因此可能產生特殊性質在控制製程條件及調整有機無機物含量的情況下

有機無機複合材料具有高均勻性質與改良之介電性質表面性質機械性質及熱

性質

211 有機無機複合材料在電容之應用

陶瓷電容材料的應用相當廣泛但其製程需要高溫燒結無法應用在有機基

板或 PCB 上因此高分子陶瓷粉體複合材料乃隨之興起其中陶瓷材料是高介

電值的粉體藉由樹酯與高分子的相容特性可用於一般基板或 PCB 製程來完

成埋入式電容的製作

為了使高分子陶瓷粉體複合材料有良好的特性包括電性與熱安定性基

本上可由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來決定例如低溫硬化高溫穩定性佳

柔軟性及內層介電層與基板的良好接著性必頇由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來

達成為了要使樹酯與陶瓷粉體間有良好的結合性並減低脆性一方面要對陶

瓷的表面作處理提高其與樹酯間的相容性另一方面必頇有良好的分散技術

使原不相容的兩種材料可能形成混合均勻的膠體且厚度均勻與少缺陷

4

在樹脂系統的選擇上最好是可與基板材料相容例如在 PCB 的應用上

通常會優先選擇環氧樹酯系統因其 Tg 高且與金屬層和基板均有良好的接著性

至於陶瓷粉體材料通常會選擇具有自發性極化的強介電性(Ferroelectric)陶瓷粉

體常用的陶瓷粉體有 BaTiO3 以及 PMN-PT(鉛鎂鈮-鉛鈦) 兩種陶瓷材料分別

具有很高的介電常數值 3000~8000 以及 18000其中 PMN-PT 雖然介電常數很

高但組成中含鉛在環保問題考慮下一般電容材料都以價格較便宜供應量

穩定的 BaTiO3 為主

電容器的功用在於暫時儲存電路中的電能它是以電荷的形式來儲存能量

電容器的構造是由兩片非常靠近的導體所構成當電路中的電壓突然升高時電

極上會積存更多的電荷因此導體的面積越大可以儲存的電荷量便越多電

容值也越大 此外兩片電極之間的距離與中間介電物質（絕緣體）的介電特

性也會影響電容值電極間靠得越近由於正負電荷相互吸引的關係電極板

上就會累積較多的電荷至於介電物質對於電容的影響牽涉到材料本身的分子

結構像鈦酸鋇就有較高的介電常數因此是陶瓷電容中最常使用的介電材料

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質

鈦酸鋇(BaTiO3)具有非中心對稱屬於 ABO3 型鈣鈦礦(Perovskite)結構其結

構如圖 21 所示其中 A2+離子(如 Ba

2+ )與氧離子(O

2minus )共同組成面心結構(Face

centered cubic)而 B4+離子(如 Ti

4+ )則位於氧離子所構成的八面體(Octahedral site)

的位置隨溫度的改變鈦酸鋇的鈣鈦礦結構還有許多晶體結構上的變化如圖

27 (a)所示隨著相轉變將伴隨單位晶胞尺寸的改變如圖 22(b)

5

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖[1]

(a)

6

(b)

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常

數變化[1]

在 130 0C 以上鈦酸鋇是屬於立方結構其晶格常數約為 4 A

0此時結構

具對稱性沒有自發性極化從 130 0C 到 0

0C則為正方晶(Tetragonal)結構

由於鈦離子和氧離子的反相位移鈦離子會稍微偏離體心位置沿lt100gt方向產

生自發性極化到了 0 0C 以下又轉變為單斜晶(Monoclinic)或斜方晶(Orthor

hombic)最後溫度低於﹣90 0C 時則呈現菱形晶(Rhombohedral)結構鈦酸鋇

於不同溫度的相轉移使原本位於八面體中心的 Ti4+離子有分別朝lt100gt向

lt110gt方向及lt111gt方向偏移的可能於是乎每一個單位晶胞產生一電偶極(Elec

tric dipole)圖 23 顯示了正方晶結構於lt100gt方向極化時鈦及鋇離子相對於氧

離子的相對位移量這些電偶極能因相互作用而沿相同的方向排列使得材料中

某一區域有電偶矩(Dipole moment)此現象稱為自發極化(Spontaneous polariz

ation)自發極化所產生的極矩由於產生各極矩的晶域(Domain)方向不一而相互

抵銷因此試片之淨極矩為零鈦酸鋇在 130 0C 以下有自發性極化產生具

有可逆之典型電場―極化遲滯曲線固為鐵電材料而劃分此一界線的溫度

1300C 也就稱為鈦酸鋇的居禮溫度(Cuire temperatureTc)在 Tc 以下的兩個相變

7

化結構也都具有鐵電性晶體結構發生變化時介電率特別大這個現象可以從

圖 24 中介電常數隨溫度的變化明顯觀察到尤其在 Tc 附近介電常數可高達

10000 以上就是這個特性使得鈦酸鋇成為高介電率電容器中不可或缺的材

料

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移[1]

8

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線[1]

213 鈦酸鋇的介電特性

早期 Buessem[2]等人利用內應力的機構來解釋小晶粒具有高介電常數的原

因由於鈦酸鋇的介電常數（permittivity）隨內應力的增加而升高且小晶粒內

部的 90 度晶域幾乎不存在導致鈦酸鋇由立方結構變成正方結構時所產生的

內應力在居禮溫度以下無法藉由產生 90 度晶域的形式得到抵銷因而具有較

高的介電性質

另外根據 Martirena[3]等人的研究指出高純度鈦酸鋇的介電常數最高值

發生在晶粒大小約為 07μm 左右其原因是由於在此大小附近一個晶粒約等

於一個晶域此種微結構的晶域界會因晶界的大量增多而限制晶域界的移動或

轉動而不像大晶粒中的晶域界容易朝相互抵銷極化的方向方向運動近來根據

Arlt[4]等人的研究指出當晶粒尺寸大於 10μm 以上時其介電常數值幾乎保

持一定值當晶粒尺寸介於 1~10μm 之間時介電常數則隨晶粒大小的減少而

增加並且於 1μm 左右達到一最大值之後則隨晶粒大小的減小而下降如

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

IV

目錄

摘要 I

Abstract II

誌謝 III

目錄 IV

圖目錄 VI

表目錄 IX

第一章 緒論 1

11 研究目的與動機 1

12 論文大綱 2

第二章 理論基礎與相關研究 3

21 有機無機複合材料之簡介 3

211 有機無機複合材料在電容之應用 3

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質 4

213 鈦酸鋇的介電特性 8

22 介電理論 10

221 簡介 10

222 相對介電常數(Relative Permittivity) 13

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質 14

214 有機無機複合材料之介電性質 15

第三章實驗方法 20

31 實驗步驟與實驗材料 20

311 陶瓷粉末與聚合物混合 20

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究 33

41 不同硬化溫度對介電特性的影響 33

V

42 製程方式對介電特性之影響 37

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響 41

44 粉體粒徑對介電常數的影響 51

45 材料種類對介電常數的影響 52

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值 54

47 添加導電粉體對介電特性的影響 56

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響 56

472 添加鋁粉添對介電特性的影響 65

第五章 結論 76

參考文獻 78

VI

圖目錄

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖 5

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常數變化 6

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移 7

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線 8

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數 9

圖 26 四種極化機制圖 12

圖 27 六種不同極化方式圖 12

圖 28 電偶極極化現象圖 13

圖 29 極化機制和頻率之關係圖 14

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象 15

圖 31 實驗流程圖 25

圖 32 電容膏配製流程 25

圖 33 樣品上視圖 26

圖 34 樣品截面圖 26

圖 35 三滾筒 27

圖 36 NETZSCH DSC 404 28

圖 37 平面自動網版印刷機 29

圖 38 旋轉塗佈機 30

圖 39 光學顯微鏡 31

圖 310 掃描式電子顯微鏡 32

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA 34

圖 42 硬化過程示意圖 35

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數 36

VII

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響 38

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖 38

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 39

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 40

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損 42

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt(e)60wt

的樣品橫截面圖 43

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt(e)60wt

的樣品橫截面圖 45

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 46

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損 47

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 48

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損 49

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 50

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損 52

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損 53

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係 55

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt8wt

10wt碳粉的介電特性與介電損 58

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖 61

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 62

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM 截面圖

64

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損 67

VIII

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響 68

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試片截面

OM 圖 70

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 71

圖 427 Al 添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖 75

IX

表目錄

表 31 ITK5517 樹脂資料表 21

表 32 Y5V 陶瓷粉末資料表 22

表 33 導體膠 NT-6116 資料表 23

表 41 碳黑添加量對複合材料特性的影響 57

表 42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響 66

1

第一章 緒論

11 研究目的與動機

內藏式被動元件基板(Embedded Passive Board)技術是軟板電路相當受到矚

目的新興領域雖然表面黏著元件的組裝型式具有簡便的優點然而若能利用印

刷方式將電阻及電容印製於軟性基板上由於與基板間少了銲接點可靠度可以

因而提高訊號傳遞的速度也可因此而提昇此外將電容元件整合於軟性材料

上更可以降低成本因此在本研究中將利用旋轉塗佈方式將電容製作於軟性基

板上

高分子陶瓷複合材料(Polymeric Ceramic Composites PCC) 是以絕緣高分子

材料為基材摻雜高介電特性陶瓷粉末使得高分子複合材料具有介電特性同

時兼顧傳統高分子易加工低耗能的優點另一方面高分子陶瓷複合材料具有

較輕的比重且依基材陶瓷粉末以及填充率的不同會展現不同的介電特性

高分子導電複合材料的這些優點 符合軟性電子產業輕薄短小可攜式低耗

能等的設計主流

利用旋轉塗佈製程印製電容元件在軟性基板上具有降低成本製程易加工

輕薄短小可撓曲等優點電容材上必頇具備高介電常數的電容材料同

時介電損失必頇很低其他的需求包括低溫製程(lt250)符合軟板需求可

形成厚膜(2-100μm)低吸濕性與基板接著性良好良好之機械強度良好之

化學穩定性等陶瓷雖具有高介電常數但需高溫燒結無法用於軟板或PCB 製

程且單純陶瓷太脆加工性差與導體黏著性不佳另一方面高分子具低溫

製程柔軟性接著性良好等優點唯其介電常數太低因此兼具高分子之機械

性質與陶瓷高介電性質的高分子－陶瓷複合材料是此種電容材料的最佳選擇也

2

是目前內藏式電容介電材料發展的主要趨勢

複合材料的成份主要為環氧樹脂與高介電陶瓷(如鈦酸鋇等)混摻製成但分

散在環氧樹脂基質中的球形陶瓷粉體由於偶極排列不規則使得電偶極偏極化的

效應會被抵銷單由添加高含量高介電常數的陶瓷粉體來提供複合材料的介電常

數值是相當有限的而且添加量過高將使得基板的機械性質降低與導體間的接

著力將大幅下降這是目前高介電有機無機複合式基板(內藏式電容基板)的主要

研究議題如何製備高介電複合材料同時不經過高溫燒結而能維持原來介電材

料之高介電常數是目前電子產業研究開發的瓶頸與重點

本研究利用利用導電性粉末於施加電場時所產生的空間電荷極化(space

charges polarization)使可移動的電荷受界面阻擾或被材料拘留住提高複合材

料之極化值進而提高介電常數此方式提供了增進高分子－陶瓷複合材料介電常

數的另一途徑

12 論文大綱

本研究將探討填料種類與含量對複合材料介電性質之影響藉由控制陶瓷及

導體粉末含量以期獲得高介電常數低介電損失的環氧樹脂奈米複合材料

本論文架構總共分成五個章節第一章介紹高分子－陶瓷複合材料的重要性

第二章針對高分子－陶瓷複合材料的相關理論作一介紹第三章則是軟性基板上

電容元件之實驗方法第四章是軟性基板上電容元件介電特性研究第五章為結

論

3

第二章 理論基礎與相關研究

21 有機無機複合材料之簡介

有機-無機複合材料(Organic-inorganic composite materials)的研究最近逐漸受

到重視這是結合有機高分子及陶瓷材料的新興材料領域因為混合後材料特性

改變使得其應用範圍擴大有機-無機混合技術可概分為以下兩種方法(1)層間

插入法(Intercalation)及(2)溶膠-凝膠法(Sol-gel)有機-無機複合材料具有結合兩種

組成物質性質的優點除此之外由於兩者間生成物理或化學性結合的可能性很

高因此可能產生特殊性質在控制製程條件及調整有機無機物含量的情況下

有機無機複合材料具有高均勻性質與改良之介電性質表面性質機械性質及熱

性質

211 有機無機複合材料在電容之應用

陶瓷電容材料的應用相當廣泛但其製程需要高溫燒結無法應用在有機基

板或 PCB 上因此高分子陶瓷粉體複合材料乃隨之興起其中陶瓷材料是高介

電值的粉體藉由樹酯與高分子的相容特性可用於一般基板或 PCB 製程來完

成埋入式電容的製作

為了使高分子陶瓷粉體複合材料有良好的特性包括電性與熱安定性基

本上可由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來決定例如低溫硬化高溫穩定性佳

柔軟性及內層介電層與基板的良好接著性必頇由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來

達成為了要使樹酯與陶瓷粉體間有良好的結合性並減低脆性一方面要對陶

瓷的表面作處理提高其與樹酯間的相容性另一方面必頇有良好的分散技術

使原不相容的兩種材料可能形成混合均勻的膠體且厚度均勻與少缺陷

4

在樹脂系統的選擇上最好是可與基板材料相容例如在 PCB 的應用上

通常會優先選擇環氧樹酯系統因其 Tg 高且與金屬層和基板均有良好的接著性

至於陶瓷粉體材料通常會選擇具有自發性極化的強介電性(Ferroelectric)陶瓷粉

體常用的陶瓷粉體有 BaTiO3 以及 PMN-PT(鉛鎂鈮-鉛鈦) 兩種陶瓷材料分別

具有很高的介電常數值 3000~8000 以及 18000其中 PMN-PT 雖然介電常數很

高但組成中含鉛在環保問題考慮下一般電容材料都以價格較便宜供應量

穩定的 BaTiO3 為主

電容器的功用在於暫時儲存電路中的電能它是以電荷的形式來儲存能量

電容器的構造是由兩片非常靠近的導體所構成當電路中的電壓突然升高時電

極上會積存更多的電荷因此導體的面積越大可以儲存的電荷量便越多電

容值也越大 此外兩片電極之間的距離與中間介電物質（絕緣體）的介電特

性也會影響電容值電極間靠得越近由於正負電荷相互吸引的關係電極板

上就會累積較多的電荷至於介電物質對於電容的影響牽涉到材料本身的分子

結構像鈦酸鋇就有較高的介電常數因此是陶瓷電容中最常使用的介電材料

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質

鈦酸鋇(BaTiO3)具有非中心對稱屬於 ABO3 型鈣鈦礦(Perovskite)結構其結

構如圖 21 所示其中 A2+離子(如 Ba

2+ )與氧離子(O

2minus )共同組成面心結構(Face

centered cubic)而 B4+離子(如 Ti

4+ )則位於氧離子所構成的八面體(Octahedral site)

的位置隨溫度的改變鈦酸鋇的鈣鈦礦結構還有許多晶體結構上的變化如圖

27 (a)所示隨著相轉變將伴隨單位晶胞尺寸的改變如圖 22(b)

5

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖[1]

(a)

6

(b)

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常

數變化[1]

在 130 0C 以上鈦酸鋇是屬於立方結構其晶格常數約為 4 A

0此時結構

具對稱性沒有自發性極化從 130 0C 到 0

0C則為正方晶(Tetragonal)結構

由於鈦離子和氧離子的反相位移鈦離子會稍微偏離體心位置沿lt100gt方向產

生自發性極化到了 0 0C 以下又轉變為單斜晶(Monoclinic)或斜方晶(Orthor

hombic)最後溫度低於﹣90 0C 時則呈現菱形晶(Rhombohedral)結構鈦酸鋇

於不同溫度的相轉移使原本位於八面體中心的 Ti4+離子有分別朝lt100gt向

lt110gt方向及lt111gt方向偏移的可能於是乎每一個單位晶胞產生一電偶極(Elec

tric dipole)圖 23 顯示了正方晶結構於lt100gt方向極化時鈦及鋇離子相對於氧

離子的相對位移量這些電偶極能因相互作用而沿相同的方向排列使得材料中

某一區域有電偶矩(Dipole moment)此現象稱為自發極化(Spontaneous polariz

ation)自發極化所產生的極矩由於產生各極矩的晶域(Domain)方向不一而相互

抵銷因此試片之淨極矩為零鈦酸鋇在 130 0C 以下有自發性極化產生具

有可逆之典型電場―極化遲滯曲線固為鐵電材料而劃分此一界線的溫度

1300C 也就稱為鈦酸鋇的居禮溫度(Cuire temperatureTc)在 Tc 以下的兩個相變

7

化結構也都具有鐵電性晶體結構發生變化時介電率特別大這個現象可以從

圖 24 中介電常數隨溫度的變化明顯觀察到尤其在 Tc 附近介電常數可高達

10000 以上就是這個特性使得鈦酸鋇成為高介電率電容器中不可或缺的材

料

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移[1]

8

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線[1]

213 鈦酸鋇的介電特性

早期 Buessem[2]等人利用內應力的機構來解釋小晶粒具有高介電常數的原

因由於鈦酸鋇的介電常數（permittivity）隨內應力的增加而升高且小晶粒內

部的 90 度晶域幾乎不存在導致鈦酸鋇由立方結構變成正方結構時所產生的

內應力在居禮溫度以下無法藉由產生 90 度晶域的形式得到抵銷因而具有較

高的介電性質

另外根據 Martirena[3]等人的研究指出高純度鈦酸鋇的介電常數最高值

發生在晶粒大小約為 07μm 左右其原因是由於在此大小附近一個晶粒約等

於一個晶域此種微結構的晶域界會因晶界的大量增多而限制晶域界的移動或

轉動而不像大晶粒中的晶域界容易朝相互抵銷極化的方向方向運動近來根據

Arlt[4]等人的研究指出當晶粒尺寸大於 10μm 以上時其介電常數值幾乎保

持一定值當晶粒尺寸介於 1~10μm 之間時介電常數則隨晶粒大小的減少而

增加並且於 1μm 左右達到一最大值之後則隨晶粒大小的減小而下降如

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

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80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

V

42 製程方式對介電特性之影響 37

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響 41

44 粉體粒徑對介電常數的影響 51

45 材料種類對介電常數的影響 52

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值 54

47 添加導電粉體對介電特性的影響 56

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響 56

472 添加鋁粉添對介電特性的影響 65

第五章 結論 76

參考文獻 78

VI

圖目錄

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖 5

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常數變化 6

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移 7

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線 8

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數 9

圖 26 四種極化機制圖 12

圖 27 六種不同極化方式圖 12

圖 28 電偶極極化現象圖 13

圖 29 極化機制和頻率之關係圖 14

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象 15

圖 31 實驗流程圖 25

圖 32 電容膏配製流程 25

圖 33 樣品上視圖 26

圖 34 樣品截面圖 26

圖 35 三滾筒 27

圖 36 NETZSCH DSC 404 28

圖 37 平面自動網版印刷機 29

圖 38 旋轉塗佈機 30

圖 39 光學顯微鏡 31

圖 310 掃描式電子顯微鏡 32

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA 34

圖 42 硬化過程示意圖 35

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數 36

VII

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響 38

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖 38

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 39

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 40

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損 42

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt(e)60wt

的樣品橫截面圖 43

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt(e)60wt

的樣品橫截面圖 45

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 46

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損 47

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 48

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損 49

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 50

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損 52

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損 53

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係 55

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt8wt

10wt碳粉的介電特性與介電損 58

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖 61

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 62

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM 截面圖

64

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損 67

VIII

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響 68

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試片截面

OM 圖 70

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 71

圖 427 Al 添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖 75

IX

表目錄

表 31 ITK5517 樹脂資料表 21

表 32 Y5V 陶瓷粉末資料表 22

表 33 導體膠 NT-6116 資料表 23

表 41 碳黑添加量對複合材料特性的影響 57

表 42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響 66

1

第一章 緒論

11 研究目的與動機

內藏式被動元件基板(Embedded Passive Board)技術是軟板電路相當受到矚

目的新興領域雖然表面黏著元件的組裝型式具有簡便的優點然而若能利用印

刷方式將電阻及電容印製於軟性基板上由於與基板間少了銲接點可靠度可以

因而提高訊號傳遞的速度也可因此而提昇此外將電容元件整合於軟性材料

上更可以降低成本因此在本研究中將利用旋轉塗佈方式將電容製作於軟性基

板上

高分子陶瓷複合材料(Polymeric Ceramic Composites PCC) 是以絕緣高分子

材料為基材摻雜高介電特性陶瓷粉末使得高分子複合材料具有介電特性同

時兼顧傳統高分子易加工低耗能的優點另一方面高分子陶瓷複合材料具有

較輕的比重且依基材陶瓷粉末以及填充率的不同會展現不同的介電特性

高分子導電複合材料的這些優點 符合軟性電子產業輕薄短小可攜式低耗

能等的設計主流

利用旋轉塗佈製程印製電容元件在軟性基板上具有降低成本製程易加工

輕薄短小可撓曲等優點電容材上必頇具備高介電常數的電容材料同

時介電損失必頇很低其他的需求包括低溫製程(lt250)符合軟板需求可

形成厚膜(2-100μm)低吸濕性與基板接著性良好良好之機械強度良好之

化學穩定性等陶瓷雖具有高介電常數但需高溫燒結無法用於軟板或PCB 製

程且單純陶瓷太脆加工性差與導體黏著性不佳另一方面高分子具低溫

製程柔軟性接著性良好等優點唯其介電常數太低因此兼具高分子之機械

性質與陶瓷高介電性質的高分子－陶瓷複合材料是此種電容材料的最佳選擇也

2

是目前內藏式電容介電材料發展的主要趨勢

複合材料的成份主要為環氧樹脂與高介電陶瓷(如鈦酸鋇等)混摻製成但分

散在環氧樹脂基質中的球形陶瓷粉體由於偶極排列不規則使得電偶極偏極化的

效應會被抵銷單由添加高含量高介電常數的陶瓷粉體來提供複合材料的介電常

數值是相當有限的而且添加量過高將使得基板的機械性質降低與導體間的接

著力將大幅下降這是目前高介電有機無機複合式基板(內藏式電容基板)的主要

研究議題如何製備高介電複合材料同時不經過高溫燒結而能維持原來介電材

料之高介電常數是目前電子產業研究開發的瓶頸與重點

本研究利用利用導電性粉末於施加電場時所產生的空間電荷極化(space

charges polarization)使可移動的電荷受界面阻擾或被材料拘留住提高複合材

料之極化值進而提高介電常數此方式提供了增進高分子－陶瓷複合材料介電常

數的另一途徑

12 論文大綱

本研究將探討填料種類與含量對複合材料介電性質之影響藉由控制陶瓷及

導體粉末含量以期獲得高介電常數低介電損失的環氧樹脂奈米複合材料

本論文架構總共分成五個章節第一章介紹高分子－陶瓷複合材料的重要性

第二章針對高分子－陶瓷複合材料的相關理論作一介紹第三章則是軟性基板上

電容元件之實驗方法第四章是軟性基板上電容元件介電特性研究第五章為結

論

3

第二章 理論基礎與相關研究

21 有機無機複合材料之簡介

有機-無機複合材料(Organic-inorganic composite materials)的研究最近逐漸受

到重視這是結合有機高分子及陶瓷材料的新興材料領域因為混合後材料特性

改變使得其應用範圍擴大有機-無機混合技術可概分為以下兩種方法(1)層間

插入法(Intercalation)及(2)溶膠-凝膠法(Sol-gel)有機-無機複合材料具有結合兩種

組成物質性質的優點除此之外由於兩者間生成物理或化學性結合的可能性很

高因此可能產生特殊性質在控制製程條件及調整有機無機物含量的情況下

有機無機複合材料具有高均勻性質與改良之介電性質表面性質機械性質及熱

性質

211 有機無機複合材料在電容之應用

陶瓷電容材料的應用相當廣泛但其製程需要高溫燒結無法應用在有機基

板或 PCB 上因此高分子陶瓷粉體複合材料乃隨之興起其中陶瓷材料是高介

電值的粉體藉由樹酯與高分子的相容特性可用於一般基板或 PCB 製程來完

成埋入式電容的製作

為了使高分子陶瓷粉體複合材料有良好的特性包括電性與熱安定性基

本上可由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來決定例如低溫硬化高溫穩定性佳

柔軟性及內層介電層與基板的良好接著性必頇由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來

達成為了要使樹酯與陶瓷粉體間有良好的結合性並減低脆性一方面要對陶

瓷的表面作處理提高其與樹酯間的相容性另一方面必頇有良好的分散技術

使原不相容的兩種材料可能形成混合均勻的膠體且厚度均勻與少缺陷

4

在樹脂系統的選擇上最好是可與基板材料相容例如在 PCB 的應用上

通常會優先選擇環氧樹酯系統因其 Tg 高且與金屬層和基板均有良好的接著性

至於陶瓷粉體材料通常會選擇具有自發性極化的強介電性(Ferroelectric)陶瓷粉

體常用的陶瓷粉體有 BaTiO3 以及 PMN-PT(鉛鎂鈮-鉛鈦) 兩種陶瓷材料分別

具有很高的介電常數值 3000~8000 以及 18000其中 PMN-PT 雖然介電常數很

高但組成中含鉛在環保問題考慮下一般電容材料都以價格較便宜供應量

穩定的 BaTiO3 為主

電容器的功用在於暫時儲存電路中的電能它是以電荷的形式來儲存能量

電容器的構造是由兩片非常靠近的導體所構成當電路中的電壓突然升高時電

極上會積存更多的電荷因此導體的面積越大可以儲存的電荷量便越多電

容值也越大 此外兩片電極之間的距離與中間介電物質（絕緣體）的介電特

性也會影響電容值電極間靠得越近由於正負電荷相互吸引的關係電極板

上就會累積較多的電荷至於介電物質對於電容的影響牽涉到材料本身的分子

結構像鈦酸鋇就有較高的介電常數因此是陶瓷電容中最常使用的介電材料

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質

鈦酸鋇(BaTiO3)具有非中心對稱屬於 ABO3 型鈣鈦礦(Perovskite)結構其結

構如圖 21 所示其中 A2+離子(如 Ba

2+ )與氧離子(O

2minus )共同組成面心結構(Face

centered cubic)而 B4+離子(如 Ti

4+ )則位於氧離子所構成的八面體(Octahedral site)

的位置隨溫度的改變鈦酸鋇的鈣鈦礦結構還有許多晶體結構上的變化如圖

27 (a)所示隨著相轉變將伴隨單位晶胞尺寸的改變如圖 22(b)

5

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖[1]

(a)

6

(b)

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常

數變化[1]

在 130 0C 以上鈦酸鋇是屬於立方結構其晶格常數約為 4 A

0此時結構

具對稱性沒有自發性極化從 130 0C 到 0

0C則為正方晶(Tetragonal)結構

由於鈦離子和氧離子的反相位移鈦離子會稍微偏離體心位置沿lt100gt方向產

生自發性極化到了 0 0C 以下又轉變為單斜晶(Monoclinic)或斜方晶(Orthor

hombic)最後溫度低於﹣90 0C 時則呈現菱形晶(Rhombohedral)結構鈦酸鋇

於不同溫度的相轉移使原本位於八面體中心的 Ti4+離子有分別朝lt100gt向

lt110gt方向及lt111gt方向偏移的可能於是乎每一個單位晶胞產生一電偶極(Elec

tric dipole)圖 23 顯示了正方晶結構於lt100gt方向極化時鈦及鋇離子相對於氧

離子的相對位移量這些電偶極能因相互作用而沿相同的方向排列使得材料中

某一區域有電偶矩(Dipole moment)此現象稱為自發極化(Spontaneous polariz

ation)自發極化所產生的極矩由於產生各極矩的晶域(Domain)方向不一而相互

抵銷因此試片之淨極矩為零鈦酸鋇在 130 0C 以下有自發性極化產生具

有可逆之典型電場―極化遲滯曲線固為鐵電材料而劃分此一界線的溫度

1300C 也就稱為鈦酸鋇的居禮溫度(Cuire temperatureTc)在 Tc 以下的兩個相變

7

化結構也都具有鐵電性晶體結構發生變化時介電率特別大這個現象可以從

圖 24 中介電常數隨溫度的變化明顯觀察到尤其在 Tc 附近介電常數可高達

10000 以上就是這個特性使得鈦酸鋇成為高介電率電容器中不可或缺的材

料

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移[1]

8

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線[1]

213 鈦酸鋇的介電特性

早期 Buessem[2]等人利用內應力的機構來解釋小晶粒具有高介電常數的原

因由於鈦酸鋇的介電常數（permittivity）隨內應力的增加而升高且小晶粒內

部的 90 度晶域幾乎不存在導致鈦酸鋇由立方結構變成正方結構時所產生的

內應力在居禮溫度以下無法藉由產生 90 度晶域的形式得到抵銷因而具有較

高的介電性質

另外根據 Martirena[3]等人的研究指出高純度鈦酸鋇的介電常數最高值

發生在晶粒大小約為 07μm 左右其原因是由於在此大小附近一個晶粒約等

於一個晶域此種微結構的晶域界會因晶界的大量增多而限制晶域界的移動或

轉動而不像大晶粒中的晶域界容易朝相互抵銷極化的方向方向運動近來根據

Arlt[4]等人的研究指出當晶粒尺寸大於 10μm 以上時其介電常數值幾乎保

持一定值當晶粒尺寸介於 1~10μm 之間時介電常數則隨晶粒大小的減少而

增加並且於 1μm 左右達到一最大值之後則隨晶粒大小的減小而下降如

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

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VI

圖目錄

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖 5

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常數變化 6

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移 7

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線 8

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數 9

圖 26 四種極化機制圖 12

圖 27 六種不同極化方式圖 12

圖 28 電偶極極化現象圖 13

圖 29 極化機制和頻率之關係圖 14

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象 15

圖 31 實驗流程圖 25

圖 32 電容膏配製流程 25

圖 33 樣品上視圖 26

圖 34 樣品截面圖 26

圖 35 三滾筒 27

圖 36 NETZSCH DSC 404 28

圖 37 平面自動網版印刷機 29

圖 38 旋轉塗佈機 30

圖 39 光學顯微鏡 31

圖 310 掃描式電子顯微鏡 32

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA 34

圖 42 硬化過程示意圖 35

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數 36

VII

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響 38

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖 38

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 39

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 40

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損 42

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt(e)60wt

的樣品橫截面圖 43

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt(e)60wt

的樣品橫截面圖 45

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 46

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損 47

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 48

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損 49

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 50

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損 52

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損 53

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係 55

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt8wt

10wt碳粉的介電特性與介電損 58

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖 61

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 62

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM 截面圖

64

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損 67

VIII

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響 68

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試片截面

OM 圖 70

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 71

圖 427 Al 添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖 75

IX

表目錄

表 31 ITK5517 樹脂資料表 21

表 32 Y5V 陶瓷粉末資料表 22

表 33 導體膠 NT-6116 資料表 23

表 41 碳黑添加量對複合材料特性的影響 57

表 42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響 66

1

第一章 緒論

11 研究目的與動機

內藏式被動元件基板(Embedded Passive Board)技術是軟板電路相當受到矚

目的新興領域雖然表面黏著元件的組裝型式具有簡便的優點然而若能利用印

刷方式將電阻及電容印製於軟性基板上由於與基板間少了銲接點可靠度可以

因而提高訊號傳遞的速度也可因此而提昇此外將電容元件整合於軟性材料

上更可以降低成本因此在本研究中將利用旋轉塗佈方式將電容製作於軟性基

板上

高分子陶瓷複合材料(Polymeric Ceramic Composites PCC) 是以絕緣高分子

材料為基材摻雜高介電特性陶瓷粉末使得高分子複合材料具有介電特性同

時兼顧傳統高分子易加工低耗能的優點另一方面高分子陶瓷複合材料具有

較輕的比重且依基材陶瓷粉末以及填充率的不同會展現不同的介電特性

高分子導電複合材料的這些優點 符合軟性電子產業輕薄短小可攜式低耗

能等的設計主流

利用旋轉塗佈製程印製電容元件在軟性基板上具有降低成本製程易加工

輕薄短小可撓曲等優點電容材上必頇具備高介電常數的電容材料同

時介電損失必頇很低其他的需求包括低溫製程(lt250)符合軟板需求可

形成厚膜(2-100μm)低吸濕性與基板接著性良好良好之機械強度良好之

化學穩定性等陶瓷雖具有高介電常數但需高溫燒結無法用於軟板或PCB 製

程且單純陶瓷太脆加工性差與導體黏著性不佳另一方面高分子具低溫

製程柔軟性接著性良好等優點唯其介電常數太低因此兼具高分子之機械

性質與陶瓷高介電性質的高分子－陶瓷複合材料是此種電容材料的最佳選擇也

2

是目前內藏式電容介電材料發展的主要趨勢

複合材料的成份主要為環氧樹脂與高介電陶瓷(如鈦酸鋇等)混摻製成但分

散在環氧樹脂基質中的球形陶瓷粉體由於偶極排列不規則使得電偶極偏極化的

效應會被抵銷單由添加高含量高介電常數的陶瓷粉體來提供複合材料的介電常

數值是相當有限的而且添加量過高將使得基板的機械性質降低與導體間的接

著力將大幅下降這是目前高介電有機無機複合式基板(內藏式電容基板)的主要

研究議題如何製備高介電複合材料同時不經過高溫燒結而能維持原來介電材

料之高介電常數是目前電子產業研究開發的瓶頸與重點

本研究利用利用導電性粉末於施加電場時所產生的空間電荷極化(space

charges polarization)使可移動的電荷受界面阻擾或被材料拘留住提高複合材

料之極化值進而提高介電常數此方式提供了增進高分子－陶瓷複合材料介電常

數的另一途徑

12 論文大綱

本研究將探討填料種類與含量對複合材料介電性質之影響藉由控制陶瓷及

導體粉末含量以期獲得高介電常數低介電損失的環氧樹脂奈米複合材料

本論文架構總共分成五個章節第一章介紹高分子－陶瓷複合材料的重要性

第二章針對高分子－陶瓷複合材料的相關理論作一介紹第三章則是軟性基板上

電容元件之實驗方法第四章是軟性基板上電容元件介電特性研究第五章為結

論

3

第二章 理論基礎與相關研究

21 有機無機複合材料之簡介

有機-無機複合材料(Organic-inorganic composite materials)的研究最近逐漸受

到重視這是結合有機高分子及陶瓷材料的新興材料領域因為混合後材料特性

改變使得其應用範圍擴大有機-無機混合技術可概分為以下兩種方法(1)層間

插入法(Intercalation)及(2)溶膠-凝膠法(Sol-gel)有機-無機複合材料具有結合兩種

組成物質性質的優點除此之外由於兩者間生成物理或化學性結合的可能性很

高因此可能產生特殊性質在控制製程條件及調整有機無機物含量的情況下

有機無機複合材料具有高均勻性質與改良之介電性質表面性質機械性質及熱

性質

211 有機無機複合材料在電容之應用

陶瓷電容材料的應用相當廣泛但其製程需要高溫燒結無法應用在有機基

板或 PCB 上因此高分子陶瓷粉體複合材料乃隨之興起其中陶瓷材料是高介

電值的粉體藉由樹酯與高分子的相容特性可用於一般基板或 PCB 製程來完

成埋入式電容的製作

為了使高分子陶瓷粉體複合材料有良好的特性包括電性與熱安定性基

本上可由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來決定例如低溫硬化高溫穩定性佳

柔軟性及內層介電層與基板的良好接著性必頇由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來

達成為了要使樹酯與陶瓷粉體間有良好的結合性並減低脆性一方面要對陶

瓷的表面作處理提高其與樹酯間的相容性另一方面必頇有良好的分散技術

使原不相容的兩種材料可能形成混合均勻的膠體且厚度均勻與少缺陷

4

在樹脂系統的選擇上最好是可與基板材料相容例如在 PCB 的應用上

通常會優先選擇環氧樹酯系統因其 Tg 高且與金屬層和基板均有良好的接著性

至於陶瓷粉體材料通常會選擇具有自發性極化的強介電性(Ferroelectric)陶瓷粉

體常用的陶瓷粉體有 BaTiO3 以及 PMN-PT(鉛鎂鈮-鉛鈦) 兩種陶瓷材料分別

具有很高的介電常數值 3000~8000 以及 18000其中 PMN-PT 雖然介電常數很

高但組成中含鉛在環保問題考慮下一般電容材料都以價格較便宜供應量

穩定的 BaTiO3 為主

電容器的功用在於暫時儲存電路中的電能它是以電荷的形式來儲存能量

電容器的構造是由兩片非常靠近的導體所構成當電路中的電壓突然升高時電

極上會積存更多的電荷因此導體的面積越大可以儲存的電荷量便越多電

容值也越大 此外兩片電極之間的距離與中間介電物質（絕緣體）的介電特

性也會影響電容值電極間靠得越近由於正負電荷相互吸引的關係電極板

上就會累積較多的電荷至於介電物質對於電容的影響牽涉到材料本身的分子

結構像鈦酸鋇就有較高的介電常數因此是陶瓷電容中最常使用的介電材料

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質

鈦酸鋇(BaTiO3)具有非中心對稱屬於 ABO3 型鈣鈦礦(Perovskite)結構其結

構如圖 21 所示其中 A2+離子(如 Ba

2+ )與氧離子(O

2minus )共同組成面心結構(Face

centered cubic)而 B4+離子(如 Ti

4+ )則位於氧離子所構成的八面體(Octahedral site)

的位置隨溫度的改變鈦酸鋇的鈣鈦礦結構還有許多晶體結構上的變化如圖

27 (a)所示隨著相轉變將伴隨單位晶胞尺寸的改變如圖 22(b)

5

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖[1]

(a)

6

(b)

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常

數變化[1]

在 130 0C 以上鈦酸鋇是屬於立方結構其晶格常數約為 4 A

0此時結構

具對稱性沒有自發性極化從 130 0C 到 0

0C則為正方晶(Tetragonal)結構

由於鈦離子和氧離子的反相位移鈦離子會稍微偏離體心位置沿lt100gt方向產

生自發性極化到了 0 0C 以下又轉變為單斜晶(Monoclinic)或斜方晶(Orthor

hombic)最後溫度低於﹣90 0C 時則呈現菱形晶(Rhombohedral)結構鈦酸鋇

於不同溫度的相轉移使原本位於八面體中心的 Ti4+離子有分別朝lt100gt向

lt110gt方向及lt111gt方向偏移的可能於是乎每一個單位晶胞產生一電偶極(Elec

tric dipole)圖 23 顯示了正方晶結構於lt100gt方向極化時鈦及鋇離子相對於氧

離子的相對位移量這些電偶極能因相互作用而沿相同的方向排列使得材料中

某一區域有電偶矩(Dipole moment)此現象稱為自發極化(Spontaneous polariz

ation)自發極化所產生的極矩由於產生各極矩的晶域(Domain)方向不一而相互

抵銷因此試片之淨極矩為零鈦酸鋇在 130 0C 以下有自發性極化產生具

有可逆之典型電場―極化遲滯曲線固為鐵電材料而劃分此一界線的溫度

1300C 也就稱為鈦酸鋇的居禮溫度(Cuire temperatureTc)在 Tc 以下的兩個相變

7

化結構也都具有鐵電性晶體結構發生變化時介電率特別大這個現象可以從

圖 24 中介電常數隨溫度的變化明顯觀察到尤其在 Tc 附近介電常數可高達

10000 以上就是這個特性使得鈦酸鋇成為高介電率電容器中不可或缺的材

料

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移[1]

8

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線[1]

213 鈦酸鋇的介電特性

早期 Buessem[2]等人利用內應力的機構來解釋小晶粒具有高介電常數的原

因由於鈦酸鋇的介電常數（permittivity）隨內應力的增加而升高且小晶粒內

部的 90 度晶域幾乎不存在導致鈦酸鋇由立方結構變成正方結構時所產生的

內應力在居禮溫度以下無法藉由產生 90 度晶域的形式得到抵銷因而具有較

高的介電性質

另外根據 Martirena[3]等人的研究指出高純度鈦酸鋇的介電常數最高值

發生在晶粒大小約為 07μm 左右其原因是由於在此大小附近一個晶粒約等

於一個晶域此種微結構的晶域界會因晶界的大量增多而限制晶域界的移動或

轉動而不像大晶粒中的晶域界容易朝相互抵銷極化的方向方向運動近來根據

Arlt[4]等人的研究指出當晶粒尺寸大於 10μm 以上時其介電常數值幾乎保

持一定值當晶粒尺寸介於 1~10μm 之間時介電常數則隨晶粒大小的減少而

增加並且於 1μm 左右達到一最大值之後則隨晶粒大小的減小而下降如

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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Conference ECTC 2005

VII

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響 38

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖 38

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 39

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 40

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損 42

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt(e)60wt

的樣品橫截面圖 43

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt(e)60wt

的樣品橫截面圖 45

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 46

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損 47

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 48

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損 49

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 50

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損 52

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損 53

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係 55

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt8wt

10wt碳粉的介電特性與介電損 58

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖 61

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 62

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM 截面圖

64

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損 67

VIII

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響 68

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試片截面

OM 圖 70

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 71

圖 427 Al 添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖 75

IX

表目錄

表 31 ITK5517 樹脂資料表 21

表 32 Y5V 陶瓷粉末資料表 22

表 33 導體膠 NT-6116 資料表 23

表 41 碳黑添加量對複合材料特性的影響 57

表 42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響 66

1

第一章 緒論

11 研究目的與動機

內藏式被動元件基板(Embedded Passive Board)技術是軟板電路相當受到矚

目的新興領域雖然表面黏著元件的組裝型式具有簡便的優點然而若能利用印

刷方式將電阻及電容印製於軟性基板上由於與基板間少了銲接點可靠度可以

因而提高訊號傳遞的速度也可因此而提昇此外將電容元件整合於軟性材料

上更可以降低成本因此在本研究中將利用旋轉塗佈方式將電容製作於軟性基

板上

高分子陶瓷複合材料(Polymeric Ceramic Composites PCC) 是以絕緣高分子

材料為基材摻雜高介電特性陶瓷粉末使得高分子複合材料具有介電特性同

時兼顧傳統高分子易加工低耗能的優點另一方面高分子陶瓷複合材料具有

較輕的比重且依基材陶瓷粉末以及填充率的不同會展現不同的介電特性

高分子導電複合材料的這些優點 符合軟性電子產業輕薄短小可攜式低耗

能等的設計主流

利用旋轉塗佈製程印製電容元件在軟性基板上具有降低成本製程易加工

輕薄短小可撓曲等優點電容材上必頇具備高介電常數的電容材料同

時介電損失必頇很低其他的需求包括低溫製程(lt250)符合軟板需求可

形成厚膜(2-100μm)低吸濕性與基板接著性良好良好之機械強度良好之

化學穩定性等陶瓷雖具有高介電常數但需高溫燒結無法用於軟板或PCB 製

程且單純陶瓷太脆加工性差與導體黏著性不佳另一方面高分子具低溫

製程柔軟性接著性良好等優點唯其介電常數太低因此兼具高分子之機械

性質與陶瓷高介電性質的高分子－陶瓷複合材料是此種電容材料的最佳選擇也

2

是目前內藏式電容介電材料發展的主要趨勢

複合材料的成份主要為環氧樹脂與高介電陶瓷(如鈦酸鋇等)混摻製成但分

散在環氧樹脂基質中的球形陶瓷粉體由於偶極排列不規則使得電偶極偏極化的

效應會被抵銷單由添加高含量高介電常數的陶瓷粉體來提供複合材料的介電常

數值是相當有限的而且添加量過高將使得基板的機械性質降低與導體間的接

著力將大幅下降這是目前高介電有機無機複合式基板(內藏式電容基板)的主要

研究議題如何製備高介電複合材料同時不經過高溫燒結而能維持原來介電材

料之高介電常數是目前電子產業研究開發的瓶頸與重點

本研究利用利用導電性粉末於施加電場時所產生的空間電荷極化(space

charges polarization)使可移動的電荷受界面阻擾或被材料拘留住提高複合材

料之極化值進而提高介電常數此方式提供了增進高分子－陶瓷複合材料介電常

數的另一途徑

12 論文大綱

本研究將探討填料種類與含量對複合材料介電性質之影響藉由控制陶瓷及

導體粉末含量以期獲得高介電常數低介電損失的環氧樹脂奈米複合材料

本論文架構總共分成五個章節第一章介紹高分子－陶瓷複合材料的重要性

第二章針對高分子－陶瓷複合材料的相關理論作一介紹第三章則是軟性基板上

電容元件之實驗方法第四章是軟性基板上電容元件介電特性研究第五章為結

論

3

第二章 理論基礎與相關研究

21 有機無機複合材料之簡介

有機-無機複合材料(Organic-inorganic composite materials)的研究最近逐漸受

到重視這是結合有機高分子及陶瓷材料的新興材料領域因為混合後材料特性

改變使得其應用範圍擴大有機-無機混合技術可概分為以下兩種方法(1)層間

插入法(Intercalation)及(2)溶膠-凝膠法(Sol-gel)有機-無機複合材料具有結合兩種

組成物質性質的優點除此之外由於兩者間生成物理或化學性結合的可能性很

高因此可能產生特殊性質在控制製程條件及調整有機無機物含量的情況下

有機無機複合材料具有高均勻性質與改良之介電性質表面性質機械性質及熱

性質

211 有機無機複合材料在電容之應用

陶瓷電容材料的應用相當廣泛但其製程需要高溫燒結無法應用在有機基

板或 PCB 上因此高分子陶瓷粉體複合材料乃隨之興起其中陶瓷材料是高介

電值的粉體藉由樹酯與高分子的相容特性可用於一般基板或 PCB 製程來完

成埋入式電容的製作

為了使高分子陶瓷粉體複合材料有良好的特性包括電性與熱安定性基

本上可由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來決定例如低溫硬化高溫穩定性佳

柔軟性及內層介電層與基板的良好接著性必頇由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來

達成為了要使樹酯與陶瓷粉體間有良好的結合性並減低脆性一方面要對陶

瓷的表面作處理提高其與樹酯間的相容性另一方面必頇有良好的分散技術

使原不相容的兩種材料可能形成混合均勻的膠體且厚度均勻與少缺陷

4

在樹脂系統的選擇上最好是可與基板材料相容例如在 PCB 的應用上

通常會優先選擇環氧樹酯系統因其 Tg 高且與金屬層和基板均有良好的接著性

至於陶瓷粉體材料通常會選擇具有自發性極化的強介電性(Ferroelectric)陶瓷粉

體常用的陶瓷粉體有 BaTiO3 以及 PMN-PT(鉛鎂鈮-鉛鈦) 兩種陶瓷材料分別

具有很高的介電常數值 3000~8000 以及 18000其中 PMN-PT 雖然介電常數很

高但組成中含鉛在環保問題考慮下一般電容材料都以價格較便宜供應量

穩定的 BaTiO3 為主

電容器的功用在於暫時儲存電路中的電能它是以電荷的形式來儲存能量

電容器的構造是由兩片非常靠近的導體所構成當電路中的電壓突然升高時電

極上會積存更多的電荷因此導體的面積越大可以儲存的電荷量便越多電

容值也越大 此外兩片電極之間的距離與中間介電物質（絕緣體）的介電特

性也會影響電容值電極間靠得越近由於正負電荷相互吸引的關係電極板

上就會累積較多的電荷至於介電物質對於電容的影響牽涉到材料本身的分子

結構像鈦酸鋇就有較高的介電常數因此是陶瓷電容中最常使用的介電材料

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質

鈦酸鋇(BaTiO3)具有非中心對稱屬於 ABO3 型鈣鈦礦(Perovskite)結構其結

構如圖 21 所示其中 A2+離子(如 Ba

2+ )與氧離子(O

2minus )共同組成面心結構(Face

centered cubic)而 B4+離子(如 Ti

4+ )則位於氧離子所構成的八面體(Octahedral site)

的位置隨溫度的改變鈦酸鋇的鈣鈦礦結構還有許多晶體結構上的變化如圖

27 (a)所示隨著相轉變將伴隨單位晶胞尺寸的改變如圖 22(b)

5

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖[1]

(a)

6

(b)

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常

數變化[1]

在 130 0C 以上鈦酸鋇是屬於立方結構其晶格常數約為 4 A

0此時結構

具對稱性沒有自發性極化從 130 0C 到 0

0C則為正方晶(Tetragonal)結構

由於鈦離子和氧離子的反相位移鈦離子會稍微偏離體心位置沿lt100gt方向產

生自發性極化到了 0 0C 以下又轉變為單斜晶(Monoclinic)或斜方晶(Orthor

hombic)最後溫度低於﹣90 0C 時則呈現菱形晶(Rhombohedral)結構鈦酸鋇

於不同溫度的相轉移使原本位於八面體中心的 Ti4+離子有分別朝lt100gt向

lt110gt方向及lt111gt方向偏移的可能於是乎每一個單位晶胞產生一電偶極(Elec

tric dipole)圖 23 顯示了正方晶結構於lt100gt方向極化時鈦及鋇離子相對於氧

離子的相對位移量這些電偶極能因相互作用而沿相同的方向排列使得材料中

某一區域有電偶矩(Dipole moment)此現象稱為自發極化(Spontaneous polariz

ation)自發極化所產生的極矩由於產生各極矩的晶域(Domain)方向不一而相互

抵銷因此試片之淨極矩為零鈦酸鋇在 130 0C 以下有自發性極化產生具

有可逆之典型電場―極化遲滯曲線固為鐵電材料而劃分此一界線的溫度

1300C 也就稱為鈦酸鋇的居禮溫度(Cuire temperatureTc)在 Tc 以下的兩個相變

7

化結構也都具有鐵電性晶體結構發生變化時介電率特別大這個現象可以從

圖 24 中介電常數隨溫度的變化明顯觀察到尤其在 Tc 附近介電常數可高達

10000 以上就是這個特性使得鈦酸鋇成為高介電率電容器中不可或缺的材

料

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移[1]

8

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線[1]

213 鈦酸鋇的介電特性

早期 Buessem[2]等人利用內應力的機構來解釋小晶粒具有高介電常數的原

因由於鈦酸鋇的介電常數（permittivity）隨內應力的增加而升高且小晶粒內

部的 90 度晶域幾乎不存在導致鈦酸鋇由立方結構變成正方結構時所產生的

內應力在居禮溫度以下無法藉由產生 90 度晶域的形式得到抵銷因而具有較

高的介電性質

另外根據 Martirena[3]等人的研究指出高純度鈦酸鋇的介電常數最高值

發生在晶粒大小約為 07μm 左右其原因是由於在此大小附近一個晶粒約等

於一個晶域此種微結構的晶域界會因晶界的大量增多而限制晶域界的移動或

轉動而不像大晶粒中的晶域界容易朝相互抵銷極化的方向方向運動近來根據

Arlt[4]等人的研究指出當晶粒尺寸大於 10μm 以上時其介電常數值幾乎保

持一定值當晶粒尺寸介於 1~10μm 之間時介電常數則隨晶粒大小的減少而

增加並且於 1μm 左右達到一最大值之後則隨晶粒大小的減小而下降如

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

VIII

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響 68

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試片截面

OM 圖 70

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖 71

圖 427 Al 添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖 75

IX

表目錄

表 31 ITK5517 樹脂資料表 21

表 32 Y5V 陶瓷粉末資料表 22

表 33 導體膠 NT-6116 資料表 23

表 41 碳黑添加量對複合材料特性的影響 57

表 42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響 66

1

第一章 緒論

11 研究目的與動機

內藏式被動元件基板(Embedded Passive Board)技術是軟板電路相當受到矚

目的新興領域雖然表面黏著元件的組裝型式具有簡便的優點然而若能利用印

刷方式將電阻及電容印製於軟性基板上由於與基板間少了銲接點可靠度可以

因而提高訊號傳遞的速度也可因此而提昇此外將電容元件整合於軟性材料

上更可以降低成本因此在本研究中將利用旋轉塗佈方式將電容製作於軟性基

板上

高分子陶瓷複合材料(Polymeric Ceramic Composites PCC) 是以絕緣高分子

材料為基材摻雜高介電特性陶瓷粉末使得高分子複合材料具有介電特性同

時兼顧傳統高分子易加工低耗能的優點另一方面高分子陶瓷複合材料具有

較輕的比重且依基材陶瓷粉末以及填充率的不同會展現不同的介電特性

高分子導電複合材料的這些優點 符合軟性電子產業輕薄短小可攜式低耗

能等的設計主流

利用旋轉塗佈製程印製電容元件在軟性基板上具有降低成本製程易加工

輕薄短小可撓曲等優點電容材上必頇具備高介電常數的電容材料同

時介電損失必頇很低其他的需求包括低溫製程(lt250)符合軟板需求可

形成厚膜(2-100μm)低吸濕性與基板接著性良好良好之機械強度良好之

化學穩定性等陶瓷雖具有高介電常數但需高溫燒結無法用於軟板或PCB 製

程且單純陶瓷太脆加工性差與導體黏著性不佳另一方面高分子具低溫

製程柔軟性接著性良好等優點唯其介電常數太低因此兼具高分子之機械

性質與陶瓷高介電性質的高分子－陶瓷複合材料是此種電容材料的最佳選擇也

2

是目前內藏式電容介電材料發展的主要趨勢

複合材料的成份主要為環氧樹脂與高介電陶瓷(如鈦酸鋇等)混摻製成但分

散在環氧樹脂基質中的球形陶瓷粉體由於偶極排列不規則使得電偶極偏極化的

效應會被抵銷單由添加高含量高介電常數的陶瓷粉體來提供複合材料的介電常

數值是相當有限的而且添加量過高將使得基板的機械性質降低與導體間的接

著力將大幅下降這是目前高介電有機無機複合式基板(內藏式電容基板)的主要

研究議題如何製備高介電複合材料同時不經過高溫燒結而能維持原來介電材

料之高介電常數是目前電子產業研究開發的瓶頸與重點

本研究利用利用導電性粉末於施加電場時所產生的空間電荷極化(space

charges polarization)使可移動的電荷受界面阻擾或被材料拘留住提高複合材

料之極化值進而提高介電常數此方式提供了增進高分子－陶瓷複合材料介電常

數的另一途徑

12 論文大綱

本研究將探討填料種類與含量對複合材料介電性質之影響藉由控制陶瓷及

導體粉末含量以期獲得高介電常數低介電損失的環氧樹脂奈米複合材料

本論文架構總共分成五個章節第一章介紹高分子－陶瓷複合材料的重要性

第二章針對高分子－陶瓷複合材料的相關理論作一介紹第三章則是軟性基板上

電容元件之實驗方法第四章是軟性基板上電容元件介電特性研究第五章為結

論

3

第二章 理論基礎與相關研究

21 有機無機複合材料之簡介

有機-無機複合材料(Organic-inorganic composite materials)的研究最近逐漸受

到重視這是結合有機高分子及陶瓷材料的新興材料領域因為混合後材料特性

改變使得其應用範圍擴大有機-無機混合技術可概分為以下兩種方法(1)層間

插入法(Intercalation)及(2)溶膠-凝膠法(Sol-gel)有機-無機複合材料具有結合兩種

組成物質性質的優點除此之外由於兩者間生成物理或化學性結合的可能性很

高因此可能產生特殊性質在控制製程條件及調整有機無機物含量的情況下

有機無機複合材料具有高均勻性質與改良之介電性質表面性質機械性質及熱

性質

211 有機無機複合材料在電容之應用

陶瓷電容材料的應用相當廣泛但其製程需要高溫燒結無法應用在有機基

板或 PCB 上因此高分子陶瓷粉體複合材料乃隨之興起其中陶瓷材料是高介

電值的粉體藉由樹酯與高分子的相容特性可用於一般基板或 PCB 製程來完

成埋入式電容的製作

為了使高分子陶瓷粉體複合材料有良好的特性包括電性與熱安定性基

本上可由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來決定例如低溫硬化高溫穩定性佳

柔軟性及內層介電層與基板的良好接著性必頇由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來

達成為了要使樹酯與陶瓷粉體間有良好的結合性並減低脆性一方面要對陶

瓷的表面作處理提高其與樹酯間的相容性另一方面必頇有良好的分散技術

使原不相容的兩種材料可能形成混合均勻的膠體且厚度均勻與少缺陷

4

在樹脂系統的選擇上最好是可與基板材料相容例如在 PCB 的應用上

通常會優先選擇環氧樹酯系統因其 Tg 高且與金屬層和基板均有良好的接著性

至於陶瓷粉體材料通常會選擇具有自發性極化的強介電性(Ferroelectric)陶瓷粉

體常用的陶瓷粉體有 BaTiO3 以及 PMN-PT(鉛鎂鈮-鉛鈦) 兩種陶瓷材料分別

具有很高的介電常數值 3000~8000 以及 18000其中 PMN-PT 雖然介電常數很

高但組成中含鉛在環保問題考慮下一般電容材料都以價格較便宜供應量

穩定的 BaTiO3 為主

電容器的功用在於暫時儲存電路中的電能它是以電荷的形式來儲存能量

電容器的構造是由兩片非常靠近的導體所構成當電路中的電壓突然升高時電

極上會積存更多的電荷因此導體的面積越大可以儲存的電荷量便越多電

容值也越大 此外兩片電極之間的距離與中間介電物質（絕緣體）的介電特

性也會影響電容值電極間靠得越近由於正負電荷相互吸引的關係電極板

上就會累積較多的電荷至於介電物質對於電容的影響牽涉到材料本身的分子

結構像鈦酸鋇就有較高的介電常數因此是陶瓷電容中最常使用的介電材料

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質

鈦酸鋇(BaTiO3)具有非中心對稱屬於 ABO3 型鈣鈦礦(Perovskite)結構其結

構如圖 21 所示其中 A2+離子(如 Ba

2+ )與氧離子(O

2minus )共同組成面心結構(Face

centered cubic)而 B4+離子(如 Ti

4+ )則位於氧離子所構成的八面體(Octahedral site)

的位置隨溫度的改變鈦酸鋇的鈣鈦礦結構還有許多晶體結構上的變化如圖

27 (a)所示隨著相轉變將伴隨單位晶胞尺寸的改變如圖 22(b)

5

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖[1]

(a)

6

(b)

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常

數變化[1]

在 130 0C 以上鈦酸鋇是屬於立方結構其晶格常數約為 4 A

0此時結構

具對稱性沒有自發性極化從 130 0C 到 0

0C則為正方晶(Tetragonal)結構

由於鈦離子和氧離子的反相位移鈦離子會稍微偏離體心位置沿lt100gt方向產

生自發性極化到了 0 0C 以下又轉變為單斜晶(Monoclinic)或斜方晶(Orthor

hombic)最後溫度低於﹣90 0C 時則呈現菱形晶(Rhombohedral)結構鈦酸鋇

於不同溫度的相轉移使原本位於八面體中心的 Ti4+離子有分別朝lt100gt向

lt110gt方向及lt111gt方向偏移的可能於是乎每一個單位晶胞產生一電偶極(Elec

tric dipole)圖 23 顯示了正方晶結構於lt100gt方向極化時鈦及鋇離子相對於氧

離子的相對位移量這些電偶極能因相互作用而沿相同的方向排列使得材料中

某一區域有電偶矩(Dipole moment)此現象稱為自發極化(Spontaneous polariz

ation)自發極化所產生的極矩由於產生各極矩的晶域(Domain)方向不一而相互

抵銷因此試片之淨極矩為零鈦酸鋇在 130 0C 以下有自發性極化產生具

有可逆之典型電場―極化遲滯曲線固為鐵電材料而劃分此一界線的溫度

1300C 也就稱為鈦酸鋇的居禮溫度(Cuire temperatureTc)在 Tc 以下的兩個相變

7

化結構也都具有鐵電性晶體結構發生變化時介電率特別大這個現象可以從

圖 24 中介電常數隨溫度的變化明顯觀察到尤其在 Tc 附近介電常數可高達

10000 以上就是這個特性使得鈦酸鋇成為高介電率電容器中不可或缺的材

料

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移[1]

8

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線[1]

213 鈦酸鋇的介電特性

早期 Buessem[2]等人利用內應力的機構來解釋小晶粒具有高介電常數的原

因由於鈦酸鋇的介電常數（permittivity）隨內應力的增加而升高且小晶粒內

部的 90 度晶域幾乎不存在導致鈦酸鋇由立方結構變成正方結構時所產生的

內應力在居禮溫度以下無法藉由產生 90 度晶域的形式得到抵銷因而具有較

高的介電性質

另外根據 Martirena[3]等人的研究指出高純度鈦酸鋇的介電常數最高值

發生在晶粒大小約為 07μm 左右其原因是由於在此大小附近一個晶粒約等

於一個晶域此種微結構的晶域界會因晶界的大量增多而限制晶域界的移動或

轉動而不像大晶粒中的晶域界容易朝相互抵銷極化的方向方向運動近來根據

Arlt[4]等人的研究指出當晶粒尺寸大於 10μm 以上時其介電常數值幾乎保

持一定值當晶粒尺寸介於 1~10μm 之間時介電常數則隨晶粒大小的減少而

增加並且於 1μm 左右達到一最大值之後則隨晶粒大小的減小而下降如

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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IX

表目錄

表 31 ITK5517 樹脂資料表 21

表 32 Y5V 陶瓷粉末資料表 22

表 33 導體膠 NT-6116 資料表 23

表 41 碳黑添加量對複合材料特性的影響 57

表 42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響 66

1

第一章 緒論

11 研究目的與動機

內藏式被動元件基板(Embedded Passive Board)技術是軟板電路相當受到矚

目的新興領域雖然表面黏著元件的組裝型式具有簡便的優點然而若能利用印

刷方式將電阻及電容印製於軟性基板上由於與基板間少了銲接點可靠度可以

因而提高訊號傳遞的速度也可因此而提昇此外將電容元件整合於軟性材料

上更可以降低成本因此在本研究中將利用旋轉塗佈方式將電容製作於軟性基

板上

高分子陶瓷複合材料(Polymeric Ceramic Composites PCC) 是以絕緣高分子

材料為基材摻雜高介電特性陶瓷粉末使得高分子複合材料具有介電特性同

時兼顧傳統高分子易加工低耗能的優點另一方面高分子陶瓷複合材料具有

較輕的比重且依基材陶瓷粉末以及填充率的不同會展現不同的介電特性

高分子導電複合材料的這些優點 符合軟性電子產業輕薄短小可攜式低耗

能等的設計主流

利用旋轉塗佈製程印製電容元件在軟性基板上具有降低成本製程易加工

輕薄短小可撓曲等優點電容材上必頇具備高介電常數的電容材料同

時介電損失必頇很低其他的需求包括低溫製程(lt250)符合軟板需求可

形成厚膜(2-100μm)低吸濕性與基板接著性良好良好之機械強度良好之

化學穩定性等陶瓷雖具有高介電常數但需高溫燒結無法用於軟板或PCB 製

程且單純陶瓷太脆加工性差與導體黏著性不佳另一方面高分子具低溫

製程柔軟性接著性良好等優點唯其介電常數太低因此兼具高分子之機械

性質與陶瓷高介電性質的高分子－陶瓷複合材料是此種電容材料的最佳選擇也

2

是目前內藏式電容介電材料發展的主要趨勢

複合材料的成份主要為環氧樹脂與高介電陶瓷(如鈦酸鋇等)混摻製成但分

散在環氧樹脂基質中的球形陶瓷粉體由於偶極排列不規則使得電偶極偏極化的

效應會被抵銷單由添加高含量高介電常數的陶瓷粉體來提供複合材料的介電常

數值是相當有限的而且添加量過高將使得基板的機械性質降低與導體間的接

著力將大幅下降這是目前高介電有機無機複合式基板(內藏式電容基板)的主要

研究議題如何製備高介電複合材料同時不經過高溫燒結而能維持原來介電材

料之高介電常數是目前電子產業研究開發的瓶頸與重點

本研究利用利用導電性粉末於施加電場時所產生的空間電荷極化(space

charges polarization)使可移動的電荷受界面阻擾或被材料拘留住提高複合材

料之極化值進而提高介電常數此方式提供了增進高分子－陶瓷複合材料介電常

數的另一途徑

12 論文大綱

本研究將探討填料種類與含量對複合材料介電性質之影響藉由控制陶瓷及

導體粉末含量以期獲得高介電常數低介電損失的環氧樹脂奈米複合材料

本論文架構總共分成五個章節第一章介紹高分子－陶瓷複合材料的重要性

第二章針對高分子－陶瓷複合材料的相關理論作一介紹第三章則是軟性基板上

電容元件之實驗方法第四章是軟性基板上電容元件介電特性研究第五章為結

論

3

第二章 理論基礎與相關研究

21 有機無機複合材料之簡介

有機-無機複合材料(Organic-inorganic composite materials)的研究最近逐漸受

到重視這是結合有機高分子及陶瓷材料的新興材料領域因為混合後材料特性

改變使得其應用範圍擴大有機-無機混合技術可概分為以下兩種方法(1)層間

插入法(Intercalation)及(2)溶膠-凝膠法(Sol-gel)有機-無機複合材料具有結合兩種

組成物質性質的優點除此之外由於兩者間生成物理或化學性結合的可能性很

高因此可能產生特殊性質在控制製程條件及調整有機無機物含量的情況下

有機無機複合材料具有高均勻性質與改良之介電性質表面性質機械性質及熱

性質

211 有機無機複合材料在電容之應用

陶瓷電容材料的應用相當廣泛但其製程需要高溫燒結無法應用在有機基

板或 PCB 上因此高分子陶瓷粉體複合材料乃隨之興起其中陶瓷材料是高介

電值的粉體藉由樹酯與高分子的相容特性可用於一般基板或 PCB 製程來完

成埋入式電容的製作

為了使高分子陶瓷粉體複合材料有良好的特性包括電性與熱安定性基

本上可由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來決定例如低溫硬化高溫穩定性佳

柔軟性及內層介電層與基板的良好接著性必頇由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來

達成為了要使樹酯與陶瓷粉體間有良好的結合性並減低脆性一方面要對陶

瓷的表面作處理提高其與樹酯間的相容性另一方面必頇有良好的分散技術

使原不相容的兩種材料可能形成混合均勻的膠體且厚度均勻與少缺陷

4

在樹脂系統的選擇上最好是可與基板材料相容例如在 PCB 的應用上

通常會優先選擇環氧樹酯系統因其 Tg 高且與金屬層和基板均有良好的接著性

至於陶瓷粉體材料通常會選擇具有自發性極化的強介電性(Ferroelectric)陶瓷粉

體常用的陶瓷粉體有 BaTiO3 以及 PMN-PT(鉛鎂鈮-鉛鈦) 兩種陶瓷材料分別

具有很高的介電常數值 3000~8000 以及 18000其中 PMN-PT 雖然介電常數很

高但組成中含鉛在環保問題考慮下一般電容材料都以價格較便宜供應量

穩定的 BaTiO3 為主

電容器的功用在於暫時儲存電路中的電能它是以電荷的形式來儲存能量

電容器的構造是由兩片非常靠近的導體所構成當電路中的電壓突然升高時電

極上會積存更多的電荷因此導體的面積越大可以儲存的電荷量便越多電

容值也越大 此外兩片電極之間的距離與中間介電物質（絕緣體）的介電特

性也會影響電容值電極間靠得越近由於正負電荷相互吸引的關係電極板

上就會累積較多的電荷至於介電物質對於電容的影響牽涉到材料本身的分子

結構像鈦酸鋇就有較高的介電常數因此是陶瓷電容中最常使用的介電材料

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質

鈦酸鋇(BaTiO3)具有非中心對稱屬於 ABO3 型鈣鈦礦(Perovskite)結構其結

構如圖 21 所示其中 A2+離子(如 Ba

2+ )與氧離子(O

2minus )共同組成面心結構(Face

centered cubic)而 B4+離子(如 Ti

4+ )則位於氧離子所構成的八面體(Octahedral site)

的位置隨溫度的改變鈦酸鋇的鈣鈦礦結構還有許多晶體結構上的變化如圖

27 (a)所示隨著相轉變將伴隨單位晶胞尺寸的改變如圖 22(b)

5

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖[1]

(a)

6

(b)

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常

數變化[1]

在 130 0C 以上鈦酸鋇是屬於立方結構其晶格常數約為 4 A

0此時結構

具對稱性沒有自發性極化從 130 0C 到 0

0C則為正方晶(Tetragonal)結構

由於鈦離子和氧離子的反相位移鈦離子會稍微偏離體心位置沿lt100gt方向產

生自發性極化到了 0 0C 以下又轉變為單斜晶(Monoclinic)或斜方晶(Orthor

hombic)最後溫度低於﹣90 0C 時則呈現菱形晶(Rhombohedral)結構鈦酸鋇

於不同溫度的相轉移使原本位於八面體中心的 Ti4+離子有分別朝lt100gt向

lt110gt方向及lt111gt方向偏移的可能於是乎每一個單位晶胞產生一電偶極(Elec

tric dipole)圖 23 顯示了正方晶結構於lt100gt方向極化時鈦及鋇離子相對於氧

離子的相對位移量這些電偶極能因相互作用而沿相同的方向排列使得材料中

某一區域有電偶矩(Dipole moment)此現象稱為自發極化(Spontaneous polariz

ation)自發極化所產生的極矩由於產生各極矩的晶域(Domain)方向不一而相互

抵銷因此試片之淨極矩為零鈦酸鋇在 130 0C 以下有自發性極化產生具

有可逆之典型電場―極化遲滯曲線固為鐵電材料而劃分此一界線的溫度

1300C 也就稱為鈦酸鋇的居禮溫度(Cuire temperatureTc)在 Tc 以下的兩個相變

7

化結構也都具有鐵電性晶體結構發生變化時介電率特別大這個現象可以從

圖 24 中介電常數隨溫度的變化明顯觀察到尤其在 Tc 附近介電常數可高達

10000 以上就是這個特性使得鈦酸鋇成為高介電率電容器中不可或缺的材

料

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移[1]

8

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線[1]

213 鈦酸鋇的介電特性

早期 Buessem[2]等人利用內應力的機構來解釋小晶粒具有高介電常數的原

因由於鈦酸鋇的介電常數（permittivity）隨內應力的增加而升高且小晶粒內

部的 90 度晶域幾乎不存在導致鈦酸鋇由立方結構變成正方結構時所產生的

內應力在居禮溫度以下無法藉由產生 90 度晶域的形式得到抵銷因而具有較

高的介電性質

另外根據 Martirena[3]等人的研究指出高純度鈦酸鋇的介電常數最高值

發生在晶粒大小約為 07μm 左右其原因是由於在此大小附近一個晶粒約等

於一個晶域此種微結構的晶域界會因晶界的大量增多而限制晶域界的移動或

轉動而不像大晶粒中的晶域界容易朝相互抵銷極化的方向方向運動近來根據

Arlt[4]等人的研究指出當晶粒尺寸大於 10μm 以上時其介電常數值幾乎保

持一定值當晶粒尺寸介於 1~10μm 之間時介電常數則隨晶粒大小的減少而

增加並且於 1μm 左右達到一最大值之後則隨晶粒大小的減小而下降如

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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Conference ECTC 2005

1

第一章 緒論

11 研究目的與動機

內藏式被動元件基板(Embedded Passive Board)技術是軟板電路相當受到矚

目的新興領域雖然表面黏著元件的組裝型式具有簡便的優點然而若能利用印

刷方式將電阻及電容印製於軟性基板上由於與基板間少了銲接點可靠度可以

因而提高訊號傳遞的速度也可因此而提昇此外將電容元件整合於軟性材料

上更可以降低成本因此在本研究中將利用旋轉塗佈方式將電容製作於軟性基

板上

高分子陶瓷複合材料(Polymeric Ceramic Composites PCC) 是以絕緣高分子

材料為基材摻雜高介電特性陶瓷粉末使得高分子複合材料具有介電特性同

時兼顧傳統高分子易加工低耗能的優點另一方面高分子陶瓷複合材料具有

較輕的比重且依基材陶瓷粉末以及填充率的不同會展現不同的介電特性

高分子導電複合材料的這些優點 符合軟性電子產業輕薄短小可攜式低耗

能等的設計主流

利用旋轉塗佈製程印製電容元件在軟性基板上具有降低成本製程易加工

輕薄短小可撓曲等優點電容材上必頇具備高介電常數的電容材料同

時介電損失必頇很低其他的需求包括低溫製程(lt250)符合軟板需求可

形成厚膜(2-100μm)低吸濕性與基板接著性良好良好之機械強度良好之

化學穩定性等陶瓷雖具有高介電常數但需高溫燒結無法用於軟板或PCB 製

程且單純陶瓷太脆加工性差與導體黏著性不佳另一方面高分子具低溫

製程柔軟性接著性良好等優點唯其介電常數太低因此兼具高分子之機械

性質與陶瓷高介電性質的高分子－陶瓷複合材料是此種電容材料的最佳選擇也

2

是目前內藏式電容介電材料發展的主要趨勢

複合材料的成份主要為環氧樹脂與高介電陶瓷(如鈦酸鋇等)混摻製成但分

散在環氧樹脂基質中的球形陶瓷粉體由於偶極排列不規則使得電偶極偏極化的

效應會被抵銷單由添加高含量高介電常數的陶瓷粉體來提供複合材料的介電常

數值是相當有限的而且添加量過高將使得基板的機械性質降低與導體間的接

著力將大幅下降這是目前高介電有機無機複合式基板(內藏式電容基板)的主要

研究議題如何製備高介電複合材料同時不經過高溫燒結而能維持原來介電材

料之高介電常數是目前電子產業研究開發的瓶頸與重點

本研究利用利用導電性粉末於施加電場時所產生的空間電荷極化(space

charges polarization)使可移動的電荷受界面阻擾或被材料拘留住提高複合材

料之極化值進而提高介電常數此方式提供了增進高分子－陶瓷複合材料介電常

數的另一途徑

12 論文大綱

本研究將探討填料種類與含量對複合材料介電性質之影響藉由控制陶瓷及

導體粉末含量以期獲得高介電常數低介電損失的環氧樹脂奈米複合材料

本論文架構總共分成五個章節第一章介紹高分子－陶瓷複合材料的重要性

第二章針對高分子－陶瓷複合材料的相關理論作一介紹第三章則是軟性基板上

電容元件之實驗方法第四章是軟性基板上電容元件介電特性研究第五章為結

論

3

第二章 理論基礎與相關研究

21 有機無機複合材料之簡介

有機-無機複合材料(Organic-inorganic composite materials)的研究最近逐漸受

到重視這是結合有機高分子及陶瓷材料的新興材料領域因為混合後材料特性

改變使得其應用範圍擴大有機-無機混合技術可概分為以下兩種方法(1)層間

插入法(Intercalation)及(2)溶膠-凝膠法(Sol-gel)有機-無機複合材料具有結合兩種

組成物質性質的優點除此之外由於兩者間生成物理或化學性結合的可能性很

高因此可能產生特殊性質在控制製程條件及調整有機無機物含量的情況下

有機無機複合材料具有高均勻性質與改良之介電性質表面性質機械性質及熱

性質

211 有機無機複合材料在電容之應用

陶瓷電容材料的應用相當廣泛但其製程需要高溫燒結無法應用在有機基

板或 PCB 上因此高分子陶瓷粉體複合材料乃隨之興起其中陶瓷材料是高介

電值的粉體藉由樹酯與高分子的相容特性可用於一般基板或 PCB 製程來完

成埋入式電容的製作

為了使高分子陶瓷粉體複合材料有良好的特性包括電性與熱安定性基

本上可由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來決定例如低溫硬化高溫穩定性佳

柔軟性及內層介電層與基板的良好接著性必頇由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來

達成為了要使樹酯與陶瓷粉體間有良好的結合性並減低脆性一方面要對陶

瓷的表面作處理提高其與樹酯間的相容性另一方面必頇有良好的分散技術

使原不相容的兩種材料可能形成混合均勻的膠體且厚度均勻與少缺陷

4

在樹脂系統的選擇上最好是可與基板材料相容例如在 PCB 的應用上

通常會優先選擇環氧樹酯系統因其 Tg 高且與金屬層和基板均有良好的接著性

至於陶瓷粉體材料通常會選擇具有自發性極化的強介電性(Ferroelectric)陶瓷粉

體常用的陶瓷粉體有 BaTiO3 以及 PMN-PT(鉛鎂鈮-鉛鈦) 兩種陶瓷材料分別

具有很高的介電常數值 3000~8000 以及 18000其中 PMN-PT 雖然介電常數很

高但組成中含鉛在環保問題考慮下一般電容材料都以價格較便宜供應量

穩定的 BaTiO3 為主

電容器的功用在於暫時儲存電路中的電能它是以電荷的形式來儲存能量

電容器的構造是由兩片非常靠近的導體所構成當電路中的電壓突然升高時電

極上會積存更多的電荷因此導體的面積越大可以儲存的電荷量便越多電

容值也越大 此外兩片電極之間的距離與中間介電物質（絕緣體）的介電特

性也會影響電容值電極間靠得越近由於正負電荷相互吸引的關係電極板

上就會累積較多的電荷至於介電物質對於電容的影響牽涉到材料本身的分子

結構像鈦酸鋇就有較高的介電常數因此是陶瓷電容中最常使用的介電材料

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質

鈦酸鋇(BaTiO3)具有非中心對稱屬於 ABO3 型鈣鈦礦(Perovskite)結構其結

構如圖 21 所示其中 A2+離子(如 Ba

2+ )與氧離子(O

2minus )共同組成面心結構(Face

centered cubic)而 B4+離子(如 Ti

4+ )則位於氧離子所構成的八面體(Octahedral site)

的位置隨溫度的改變鈦酸鋇的鈣鈦礦結構還有許多晶體結構上的變化如圖

27 (a)所示隨著相轉變將伴隨單位晶胞尺寸的改變如圖 22(b)

5

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖[1]

(a)

6

(b)

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常

數變化[1]

在 130 0C 以上鈦酸鋇是屬於立方結構其晶格常數約為 4 A

0此時結構

具對稱性沒有自發性極化從 130 0C 到 0

0C則為正方晶(Tetragonal)結構

由於鈦離子和氧離子的反相位移鈦離子會稍微偏離體心位置沿lt100gt方向產

生自發性極化到了 0 0C 以下又轉變為單斜晶(Monoclinic)或斜方晶(Orthor

hombic)最後溫度低於﹣90 0C 時則呈現菱形晶(Rhombohedral)結構鈦酸鋇

於不同溫度的相轉移使原本位於八面體中心的 Ti4+離子有分別朝lt100gt向

lt110gt方向及lt111gt方向偏移的可能於是乎每一個單位晶胞產生一電偶極(Elec

tric dipole)圖 23 顯示了正方晶結構於lt100gt方向極化時鈦及鋇離子相對於氧

離子的相對位移量這些電偶極能因相互作用而沿相同的方向排列使得材料中

某一區域有電偶矩(Dipole moment)此現象稱為自發極化(Spontaneous polariz

ation)自發極化所產生的極矩由於產生各極矩的晶域(Domain)方向不一而相互

抵銷因此試片之淨極矩為零鈦酸鋇在 130 0C 以下有自發性極化產生具

有可逆之典型電場―極化遲滯曲線固為鐵電材料而劃分此一界線的溫度

1300C 也就稱為鈦酸鋇的居禮溫度(Cuire temperatureTc)在 Tc 以下的兩個相變

7

化結構也都具有鐵電性晶體結構發生變化時介電率特別大這個現象可以從

圖 24 中介電常數隨溫度的變化明顯觀察到尤其在 Tc 附近介電常數可高達

10000 以上就是這個特性使得鈦酸鋇成為高介電率電容器中不可或缺的材

料

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移[1]

8

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線[1]

213 鈦酸鋇的介電特性

早期 Buessem[2]等人利用內應力的機構來解釋小晶粒具有高介電常數的原

因由於鈦酸鋇的介電常數（permittivity）隨內應力的增加而升高且小晶粒內

部的 90 度晶域幾乎不存在導致鈦酸鋇由立方結構變成正方結構時所產生的

內應力在居禮溫度以下無法藉由產生 90 度晶域的形式得到抵銷因而具有較

高的介電性質

另外根據 Martirena[3]等人的研究指出高純度鈦酸鋇的介電常數最高值

發生在晶粒大小約為 07μm 左右其原因是由於在此大小附近一個晶粒約等

於一個晶域此種微結構的晶域界會因晶界的大量增多而限制晶域界的移動或

轉動而不像大晶粒中的晶域界容易朝相互抵銷極化的方向方向運動近來根據

Arlt[4]等人的研究指出當晶粒尺寸大於 10μm 以上時其介電常數值幾乎保

持一定值當晶粒尺寸介於 1~10μm 之間時介電常數則隨晶粒大小的減少而

增加並且於 1μm 左右達到一最大值之後則隨晶粒大小的減小而下降如

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

2

是目前內藏式電容介電材料發展的主要趨勢

複合材料的成份主要為環氧樹脂與高介電陶瓷(如鈦酸鋇等)混摻製成但分

散在環氧樹脂基質中的球形陶瓷粉體由於偶極排列不規則使得電偶極偏極化的

效應會被抵銷單由添加高含量高介電常數的陶瓷粉體來提供複合材料的介電常

數值是相當有限的而且添加量過高將使得基板的機械性質降低與導體間的接

著力將大幅下降這是目前高介電有機無機複合式基板(內藏式電容基板)的主要

研究議題如何製備高介電複合材料同時不經過高溫燒結而能維持原來介電材

料之高介電常數是目前電子產業研究開發的瓶頸與重點

本研究利用利用導電性粉末於施加電場時所產生的空間電荷極化(space

charges polarization)使可移動的電荷受界面阻擾或被材料拘留住提高複合材

料之極化值進而提高介電常數此方式提供了增進高分子－陶瓷複合材料介電常

數的另一途徑

12 論文大綱

本研究將探討填料種類與含量對複合材料介電性質之影響藉由控制陶瓷及

導體粉末含量以期獲得高介電常數低介電損失的環氧樹脂奈米複合材料

本論文架構總共分成五個章節第一章介紹高分子－陶瓷複合材料的重要性

第二章針對高分子－陶瓷複合材料的相關理論作一介紹第三章則是軟性基板上

電容元件之實驗方法第四章是軟性基板上電容元件介電特性研究第五章為結

論

3

第二章 理論基礎與相關研究

21 有機無機複合材料之簡介

有機-無機複合材料(Organic-inorganic composite materials)的研究最近逐漸受

到重視這是結合有機高分子及陶瓷材料的新興材料領域因為混合後材料特性

改變使得其應用範圍擴大有機-無機混合技術可概分為以下兩種方法(1)層間

插入法(Intercalation)及(2)溶膠-凝膠法(Sol-gel)有機-無機複合材料具有結合兩種

組成物質性質的優點除此之外由於兩者間生成物理或化學性結合的可能性很

高因此可能產生特殊性質在控制製程條件及調整有機無機物含量的情況下

有機無機複合材料具有高均勻性質與改良之介電性質表面性質機械性質及熱

性質

211 有機無機複合材料在電容之應用

陶瓷電容材料的應用相當廣泛但其製程需要高溫燒結無法應用在有機基

板或 PCB 上因此高分子陶瓷粉體複合材料乃隨之興起其中陶瓷材料是高介

電值的粉體藉由樹酯與高分子的相容特性可用於一般基板或 PCB 製程來完

成埋入式電容的製作

為了使高分子陶瓷粉體複合材料有良好的特性包括電性與熱安定性基

本上可由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來決定例如低溫硬化高溫穩定性佳

柔軟性及內層介電層與基板的良好接著性必頇由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來

達成為了要使樹酯與陶瓷粉體間有良好的結合性並減低脆性一方面要對陶

瓷的表面作處理提高其與樹酯間的相容性另一方面必頇有良好的分散技術

使原不相容的兩種材料可能形成混合均勻的膠體且厚度均勻與少缺陷

4

在樹脂系統的選擇上最好是可與基板材料相容例如在 PCB 的應用上

通常會優先選擇環氧樹酯系統因其 Tg 高且與金屬層和基板均有良好的接著性

至於陶瓷粉體材料通常會選擇具有自發性極化的強介電性(Ferroelectric)陶瓷粉

體常用的陶瓷粉體有 BaTiO3 以及 PMN-PT(鉛鎂鈮-鉛鈦) 兩種陶瓷材料分別

具有很高的介電常數值 3000~8000 以及 18000其中 PMN-PT 雖然介電常數很

高但組成中含鉛在環保問題考慮下一般電容材料都以價格較便宜供應量

穩定的 BaTiO3 為主

電容器的功用在於暫時儲存電路中的電能它是以電荷的形式來儲存能量

電容器的構造是由兩片非常靠近的導體所構成當電路中的電壓突然升高時電

極上會積存更多的電荷因此導體的面積越大可以儲存的電荷量便越多電

容值也越大 此外兩片電極之間的距離與中間介電物質（絕緣體）的介電特

性也會影響電容值電極間靠得越近由於正負電荷相互吸引的關係電極板

上就會累積較多的電荷至於介電物質對於電容的影響牽涉到材料本身的分子

結構像鈦酸鋇就有較高的介電常數因此是陶瓷電容中最常使用的介電材料

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質

鈦酸鋇(BaTiO3)具有非中心對稱屬於 ABO3 型鈣鈦礦(Perovskite)結構其結

構如圖 21 所示其中 A2+離子(如 Ba

2+ )與氧離子(O

2minus )共同組成面心結構(Face

centered cubic)而 B4+離子(如 Ti

4+ )則位於氧離子所構成的八面體(Octahedral site)

的位置隨溫度的改變鈦酸鋇的鈣鈦礦結構還有許多晶體結構上的變化如圖

27 (a)所示隨著相轉變將伴隨單位晶胞尺寸的改變如圖 22(b)

5

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖[1]

(a)

6

(b)

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常

數變化[1]

在 130 0C 以上鈦酸鋇是屬於立方結構其晶格常數約為 4 A

0此時結構

具對稱性沒有自發性極化從 130 0C 到 0

0C則為正方晶(Tetragonal)結構

由於鈦離子和氧離子的反相位移鈦離子會稍微偏離體心位置沿lt100gt方向產

生自發性極化到了 0 0C 以下又轉變為單斜晶(Monoclinic)或斜方晶(Orthor

hombic)最後溫度低於﹣90 0C 時則呈現菱形晶(Rhombohedral)結構鈦酸鋇

於不同溫度的相轉移使原本位於八面體中心的 Ti4+離子有分別朝lt100gt向

lt110gt方向及lt111gt方向偏移的可能於是乎每一個單位晶胞產生一電偶極(Elec

tric dipole)圖 23 顯示了正方晶結構於lt100gt方向極化時鈦及鋇離子相對於氧

離子的相對位移量這些電偶極能因相互作用而沿相同的方向排列使得材料中

某一區域有電偶矩(Dipole moment)此現象稱為自發極化(Spontaneous polariz

ation)自發極化所產生的極矩由於產生各極矩的晶域(Domain)方向不一而相互

抵銷因此試片之淨極矩為零鈦酸鋇在 130 0C 以下有自發性極化產生具

有可逆之典型電場―極化遲滯曲線固為鐵電材料而劃分此一界線的溫度

1300C 也就稱為鈦酸鋇的居禮溫度(Cuire temperatureTc)在 Tc 以下的兩個相變

7

化結構也都具有鐵電性晶體結構發生變化時介電率特別大這個現象可以從

圖 24 中介電常數隨溫度的變化明顯觀察到尤其在 Tc 附近介電常數可高達

10000 以上就是這個特性使得鈦酸鋇成為高介電率電容器中不可或缺的材

料

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移[1]

8

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線[1]

213 鈦酸鋇的介電特性

早期 Buessem[2]等人利用內應力的機構來解釋小晶粒具有高介電常數的原

因由於鈦酸鋇的介電常數（permittivity）隨內應力的增加而升高且小晶粒內

部的 90 度晶域幾乎不存在導致鈦酸鋇由立方結構變成正方結構時所產生的

內應力在居禮溫度以下無法藉由產生 90 度晶域的形式得到抵銷因而具有較

高的介電性質

另外根據 Martirena[3]等人的研究指出高純度鈦酸鋇的介電常數最高值

發生在晶粒大小約為 07μm 左右其原因是由於在此大小附近一個晶粒約等

於一個晶域此種微結構的晶域界會因晶界的大量增多而限制晶域界的移動或

轉動而不像大晶粒中的晶域界容易朝相互抵銷極化的方向方向運動近來根據

Arlt[4]等人的研究指出當晶粒尺寸大於 10μm 以上時其介電常數值幾乎保

持一定值當晶粒尺寸介於 1~10μm 之間時介電常數則隨晶粒大小的減少而

增加並且於 1μm 左右達到一最大值之後則隨晶粒大小的減小而下降如

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

3

第二章 理論基礎與相關研究

21 有機無機複合材料之簡介

有機-無機複合材料(Organic-inorganic composite materials)的研究最近逐漸受

到重視這是結合有機高分子及陶瓷材料的新興材料領域因為混合後材料特性

改變使得其應用範圍擴大有機-無機混合技術可概分為以下兩種方法(1)層間

插入法(Intercalation)及(2)溶膠-凝膠法(Sol-gel)有機-無機複合材料具有結合兩種

組成物質性質的優點除此之外由於兩者間生成物理或化學性結合的可能性很

高因此可能產生特殊性質在控制製程條件及調整有機無機物含量的情況下

有機無機複合材料具有高均勻性質與改良之介電性質表面性質機械性質及熱

性質

211 有機無機複合材料在電容之應用

陶瓷電容材料的應用相當廣泛但其製程需要高溫燒結無法應用在有機基

板或 PCB 上因此高分子陶瓷粉體複合材料乃隨之興起其中陶瓷材料是高介

電值的粉體藉由樹酯與高分子的相容特性可用於一般基板或 PCB 製程來完

成埋入式電容的製作

為了使高分子陶瓷粉體複合材料有良好的特性包括電性與熱安定性基

本上可由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來決定例如低溫硬化高溫穩定性佳

柔軟性及內層介電層與基板的良好接著性必頇由樹酯系統和陶瓷粉體的選擇來

達成為了要使樹酯與陶瓷粉體間有良好的結合性並減低脆性一方面要對陶

瓷的表面作處理提高其與樹酯間的相容性另一方面必頇有良好的分散技術

使原不相容的兩種材料可能形成混合均勻的膠體且厚度均勻與少缺陷

4

在樹脂系統的選擇上最好是可與基板材料相容例如在 PCB 的應用上

通常會優先選擇環氧樹酯系統因其 Tg 高且與金屬層和基板均有良好的接著性

至於陶瓷粉體材料通常會選擇具有自發性極化的強介電性(Ferroelectric)陶瓷粉

體常用的陶瓷粉體有 BaTiO3 以及 PMN-PT(鉛鎂鈮-鉛鈦) 兩種陶瓷材料分別

具有很高的介電常數值 3000~8000 以及 18000其中 PMN-PT 雖然介電常數很

高但組成中含鉛在環保問題考慮下一般電容材料都以價格較便宜供應量

穩定的 BaTiO3 為主

電容器的功用在於暫時儲存電路中的電能它是以電荷的形式來儲存能量

電容器的構造是由兩片非常靠近的導體所構成當電路中的電壓突然升高時電

極上會積存更多的電荷因此導體的面積越大可以儲存的電荷量便越多電

容值也越大 此外兩片電極之間的距離與中間介電物質（絕緣體）的介電特

性也會影響電容值電極間靠得越近由於正負電荷相互吸引的關係電極板

上就會累積較多的電荷至於介電物質對於電容的影響牽涉到材料本身的分子

結構像鈦酸鋇就有較高的介電常數因此是陶瓷電容中最常使用的介電材料

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質

鈦酸鋇(BaTiO3)具有非中心對稱屬於 ABO3 型鈣鈦礦(Perovskite)結構其結

構如圖 21 所示其中 A2+離子(如 Ba

2+ )與氧離子(O

2minus )共同組成面心結構(Face

centered cubic)而 B4+離子(如 Ti

4+ )則位於氧離子所構成的八面體(Octahedral site)

的位置隨溫度的改變鈦酸鋇的鈣鈦礦結構還有許多晶體結構上的變化如圖

27 (a)所示隨著相轉變將伴隨單位晶胞尺寸的改變如圖 22(b)

5

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖[1]

(a)

6

(b)

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常

數變化[1]

在 130 0C 以上鈦酸鋇是屬於立方結構其晶格常數約為 4 A

0此時結構

具對稱性沒有自發性極化從 130 0C 到 0

0C則為正方晶(Tetragonal)結構

由於鈦離子和氧離子的反相位移鈦離子會稍微偏離體心位置沿lt100gt方向產

生自發性極化到了 0 0C 以下又轉變為單斜晶(Monoclinic)或斜方晶(Orthor

hombic)最後溫度低於﹣90 0C 時則呈現菱形晶(Rhombohedral)結構鈦酸鋇

於不同溫度的相轉移使原本位於八面體中心的 Ti4+離子有分別朝lt100gt向

lt110gt方向及lt111gt方向偏移的可能於是乎每一個單位晶胞產生一電偶極(Elec

tric dipole)圖 23 顯示了正方晶結構於lt100gt方向極化時鈦及鋇離子相對於氧

離子的相對位移量這些電偶極能因相互作用而沿相同的方向排列使得材料中

某一區域有電偶矩(Dipole moment)此現象稱為自發極化(Spontaneous polariz

ation)自發極化所產生的極矩由於產生各極矩的晶域(Domain)方向不一而相互

抵銷因此試片之淨極矩為零鈦酸鋇在 130 0C 以下有自發性極化產生具

有可逆之典型電場―極化遲滯曲線固為鐵電材料而劃分此一界線的溫度

1300C 也就稱為鈦酸鋇的居禮溫度(Cuire temperatureTc)在 Tc 以下的兩個相變

7

化結構也都具有鐵電性晶體結構發生變化時介電率特別大這個現象可以從

圖 24 中介電常數隨溫度的變化明顯觀察到尤其在 Tc 附近介電常數可高達

10000 以上就是這個特性使得鈦酸鋇成為高介電率電容器中不可或缺的材

料

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移[1]

8

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線[1]

213 鈦酸鋇的介電特性

早期 Buessem[2]等人利用內應力的機構來解釋小晶粒具有高介電常數的原

因由於鈦酸鋇的介電常數（permittivity）隨內應力的增加而升高且小晶粒內

部的 90 度晶域幾乎不存在導致鈦酸鋇由立方結構變成正方結構時所產生的

內應力在居禮溫度以下無法藉由產生 90 度晶域的形式得到抵銷因而具有較

高的介電性質

另外根據 Martirena[3]等人的研究指出高純度鈦酸鋇的介電常數最高值

發生在晶粒大小約為 07μm 左右其原因是由於在此大小附近一個晶粒約等

於一個晶域此種微結構的晶域界會因晶界的大量增多而限制晶域界的移動或

轉動而不像大晶粒中的晶域界容易朝相互抵銷極化的方向方向運動近來根據

Arlt[4]等人的研究指出當晶粒尺寸大於 10μm 以上時其介電常數值幾乎保

持一定值當晶粒尺寸介於 1~10μm 之間時介電常數則隨晶粒大小的減少而

增加並且於 1μm 左右達到一最大值之後則隨晶粒大小的減小而下降如

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

4

在樹脂系統的選擇上最好是可與基板材料相容例如在 PCB 的應用上

通常會優先選擇環氧樹酯系統因其 Tg 高且與金屬層和基板均有良好的接著性

至於陶瓷粉體材料通常會選擇具有自發性極化的強介電性(Ferroelectric)陶瓷粉

體常用的陶瓷粉體有 BaTiO3 以及 PMN-PT(鉛鎂鈮-鉛鈦) 兩種陶瓷材料分別

具有很高的介電常數值 3000~8000 以及 18000其中 PMN-PT 雖然介電常數很

高但組成中含鉛在環保問題考慮下一般電容材料都以價格較便宜供應量

穩定的 BaTiO3 為主

電容器的功用在於暫時儲存電路中的電能它是以電荷的形式來儲存能量

電容器的構造是由兩片非常靠近的導體所構成當電路中的電壓突然升高時電

極上會積存更多的電荷因此導體的面積越大可以儲存的電荷量便越多電

容值也越大 此外兩片電極之間的距離與中間介電物質（絕緣體）的介電特

性也會影響電容值電極間靠得越近由於正負電荷相互吸引的關係電極板

上就會累積較多的電荷至於介電物質對於電容的影響牽涉到材料本身的分子

結構像鈦酸鋇就有較高的介電常數因此是陶瓷電容中最常使用的介電材料

212 鈦酸鋇之晶體結構與性質

鈦酸鋇(BaTiO3)具有非中心對稱屬於 ABO3 型鈣鈦礦(Perovskite)結構其結

構如圖 21 所示其中 A2+離子(如 Ba

2+ )與氧離子(O

2minus )共同組成面心結構(Face

centered cubic)而 B4+離子(如 Ti

4+ )則位於氧離子所構成的八面體(Octahedral site)

的位置隨溫度的改變鈦酸鋇的鈣鈦礦結構還有許多晶體結構上的變化如圖

27 (a)所示隨著相轉變將伴隨單位晶胞尺寸的改變如圖 22(b)

5

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖[1]

(a)

6

(b)

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常

數變化[1]

在 130 0C 以上鈦酸鋇是屬於立方結構其晶格常數約為 4 A

0此時結構

具對稱性沒有自發性極化從 130 0C 到 0

0C則為正方晶(Tetragonal)結構

由於鈦離子和氧離子的反相位移鈦離子會稍微偏離體心位置沿lt100gt方向產

生自發性極化到了 0 0C 以下又轉變為單斜晶(Monoclinic)或斜方晶(Orthor

hombic)最後溫度低於﹣90 0C 時則呈現菱形晶(Rhombohedral)結構鈦酸鋇

於不同溫度的相轉移使原本位於八面體中心的 Ti4+離子有分別朝lt100gt向

lt110gt方向及lt111gt方向偏移的可能於是乎每一個單位晶胞產生一電偶極(Elec

tric dipole)圖 23 顯示了正方晶結構於lt100gt方向極化時鈦及鋇離子相對於氧

離子的相對位移量這些電偶極能因相互作用而沿相同的方向排列使得材料中

某一區域有電偶矩(Dipole moment)此現象稱為自發極化(Spontaneous polariz

ation)自發極化所產生的極矩由於產生各極矩的晶域(Domain)方向不一而相互

抵銷因此試片之淨極矩為零鈦酸鋇在 130 0C 以下有自發性極化產生具

有可逆之典型電場―極化遲滯曲線固為鐵電材料而劃分此一界線的溫度

1300C 也就稱為鈦酸鋇的居禮溫度(Cuire temperatureTc)在 Tc 以下的兩個相變

7

化結構也都具有鐵電性晶體結構發生變化時介電率特別大這個現象可以從

圖 24 中介電常數隨溫度的變化明顯觀察到尤其在 Tc 附近介電常數可高達

10000 以上就是這個特性使得鈦酸鋇成為高介電率電容器中不可或缺的材

料

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移[1]

8

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線[1]

213 鈦酸鋇的介電特性

早期 Buessem[2]等人利用內應力的機構來解釋小晶粒具有高介電常數的原

因由於鈦酸鋇的介電常數（permittivity）隨內應力的增加而升高且小晶粒內

部的 90 度晶域幾乎不存在導致鈦酸鋇由立方結構變成正方結構時所產生的

內應力在居禮溫度以下無法藉由產生 90 度晶域的形式得到抵銷因而具有較

高的介電性質

另外根據 Martirena[3]等人的研究指出高純度鈦酸鋇的介電常數最高值

發生在晶粒大小約為 07μm 左右其原因是由於在此大小附近一個晶粒約等

於一個晶域此種微結構的晶域界會因晶界的大量增多而限制晶域界的移動或

轉動而不像大晶粒中的晶域界容易朝相互抵銷極化的方向方向運動近來根據

Arlt[4]等人的研究指出當晶粒尺寸大於 10μm 以上時其介電常數值幾乎保

持一定值當晶粒尺寸介於 1~10μm 之間時介電常數則隨晶粒大小的減少而

增加並且於 1μm 左右達到一最大值之後則隨晶粒大小的減小而下降如

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

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5

圖 21 BaTiO3 晶體結構示意圖[1]

(a)

6

(b)

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常

數變化[1]

在 130 0C 以上鈦酸鋇是屬於立方結構其晶格常數約為 4 A

0此時結構

具對稱性沒有自發性極化從 130 0C 到 0

0C則為正方晶(Tetragonal)結構

由於鈦離子和氧離子的反相位移鈦離子會稍微偏離體心位置沿lt100gt方向產

生自發性極化到了 0 0C 以下又轉變為單斜晶(Monoclinic)或斜方晶(Orthor

hombic)最後溫度低於﹣90 0C 時則呈現菱形晶(Rhombohedral)結構鈦酸鋇

於不同溫度的相轉移使原本位於八面體中心的 Ti4+離子有分別朝lt100gt向

lt110gt方向及lt111gt方向偏移的可能於是乎每一個單位晶胞產生一電偶極(Elec

tric dipole)圖 23 顯示了正方晶結構於lt100gt方向極化時鈦及鋇離子相對於氧

離子的相對位移量這些電偶極能因相互作用而沿相同的方向排列使得材料中

某一區域有電偶矩(Dipole moment)此現象稱為自發極化(Spontaneous polariz

ation)自發極化所產生的極矩由於產生各極矩的晶域(Domain)方向不一而相互

抵銷因此試片之淨極矩為零鈦酸鋇在 130 0C 以下有自發性極化產生具

有可逆之典型電場―極化遲滯曲線固為鐵電材料而劃分此一界線的溫度

1300C 也就稱為鈦酸鋇的居禮溫度(Cuire temperatureTc)在 Tc 以下的兩個相變

7

化結構也都具有鐵電性晶體結構發生變化時介電率特別大這個現象可以從

圖 24 中介電常數隨溫度的變化明顯觀察到尤其在 Tc 附近介電常數可高達

10000 以上就是這個特性使得鈦酸鋇成為高介電率電容器中不可或缺的材

料

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移[1]

8

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線[1]

213 鈦酸鋇的介電特性

早期 Buessem[2]等人利用內應力的機構來解釋小晶粒具有高介電常數的原

因由於鈦酸鋇的介電常數（permittivity）隨內應力的增加而升高且小晶粒內

部的 90 度晶域幾乎不存在導致鈦酸鋇由立方結構變成正方結構時所產生的

內應力在居禮溫度以下無法藉由產生 90 度晶域的形式得到抵銷因而具有較

高的介電性質

另外根據 Martirena[3]等人的研究指出高純度鈦酸鋇的介電常數最高值

發生在晶粒大小約為 07μm 左右其原因是由於在此大小附近一個晶粒約等

於一個晶域此種微結構的晶域界會因晶界的大量增多而限制晶域界的移動或

轉動而不像大晶粒中的晶域界容易朝相互抵銷極化的方向方向運動近來根據

Arlt[4]等人的研究指出當晶粒尺寸大於 10μm 以上時其介電常數值幾乎保

持一定值當晶粒尺寸介於 1~10μm 之間時介電常數則隨晶粒大小的減少而

增加並且於 1μm 左右達到一最大值之後則隨晶粒大小的減小而下降如

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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6

(b)

圖 22 (a) BaTiO3 結構的單位晶胞結構變化(b) BaTiO3 結構的單位晶胞晶格常

數變化[1]

在 130 0C 以上鈦酸鋇是屬於立方結構其晶格常數約為 4 A

0此時結構

具對稱性沒有自發性極化從 130 0C 到 0

0C則為正方晶(Tetragonal)結構

由於鈦離子和氧離子的反相位移鈦離子會稍微偏離體心位置沿lt100gt方向產

生自發性極化到了 0 0C 以下又轉變為單斜晶(Monoclinic)或斜方晶(Orthor

hombic)最後溫度低於﹣90 0C 時則呈現菱形晶(Rhombohedral)結構鈦酸鋇

於不同溫度的相轉移使原本位於八面體中心的 Ti4+離子有分別朝lt100gt向

lt110gt方向及lt111gt方向偏移的可能於是乎每一個單位晶胞產生一電偶極(Elec

tric dipole)圖 23 顯示了正方晶結構於lt100gt方向極化時鈦及鋇離子相對於氧

離子的相對位移量這些電偶極能因相互作用而沿相同的方向排列使得材料中

某一區域有電偶矩(Dipole moment)此現象稱為自發極化(Spontaneous polariz

ation)自發極化所產生的極矩由於產生各極矩的晶域(Domain)方向不一而相互

抵銷因此試片之淨極矩為零鈦酸鋇在 130 0C 以下有自發性極化產生具

有可逆之典型電場―極化遲滯曲線固為鐵電材料而劃分此一界線的溫度

1300C 也就稱為鈦酸鋇的居禮溫度(Cuire temperatureTc)在 Tc 以下的兩個相變

7

化結構也都具有鐵電性晶體結構發生變化時介電率特別大這個現象可以從

圖 24 中介電常數隨溫度的變化明顯觀察到尤其在 Tc 附近介電常數可高達

10000 以上就是這個特性使得鈦酸鋇成為高介電率電容器中不可或缺的材

料

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移[1]

8

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線[1]

213 鈦酸鋇的介電特性

早期 Buessem[2]等人利用內應力的機構來解釋小晶粒具有高介電常數的原

因由於鈦酸鋇的介電常數（permittivity）隨內應力的增加而升高且小晶粒內

部的 90 度晶域幾乎不存在導致鈦酸鋇由立方結構變成正方結構時所產生的

內應力在居禮溫度以下無法藉由產生 90 度晶域的形式得到抵銷因而具有較

高的介電性質

另外根據 Martirena[3]等人的研究指出高純度鈦酸鋇的介電常數最高值

發生在晶粒大小約為 07μm 左右其原因是由於在此大小附近一個晶粒約等

於一個晶域此種微結構的晶域界會因晶界的大量增多而限制晶域界的移動或

轉動而不像大晶粒中的晶域界容易朝相互抵銷極化的方向方向運動近來根據

Arlt[4]等人的研究指出當晶粒尺寸大於 10μm 以上時其介電常數值幾乎保

持一定值當晶粒尺寸介於 1~10μm 之間時介電常數則隨晶粒大小的減少而

增加並且於 1μm 左右達到一最大值之後則隨晶粒大小的減小而下降如

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

7

化結構也都具有鐵電性晶體結構發生變化時介電率特別大這個現象可以從

圖 24 中介電常數隨溫度的變化明顯觀察到尤其在 Tc 附近介電常數可高達

10000 以上就是這個特性使得鈦酸鋇成為高介電率電容器中不可或缺的材

料

圖 23 鈦酸鋇於lt100gt方向及化時鈦及鋇離子相對於氧離子的位移[1]

8

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線[1]

213 鈦酸鋇的介電特性

早期 Buessem[2]等人利用內應力的機構來解釋小晶粒具有高介電常數的原

因由於鈦酸鋇的介電常數（permittivity）隨內應力的增加而升高且小晶粒內

部的 90 度晶域幾乎不存在導致鈦酸鋇由立方結構變成正方結構時所產生的

內應力在居禮溫度以下無法藉由產生 90 度晶域的形式得到抵銷因而具有較

高的介電性質

另外根據 Martirena[3]等人的研究指出高純度鈦酸鋇的介電常數最高值

發生在晶粒大小約為 07μm 左右其原因是由於在此大小附近一個晶粒約等

於一個晶域此種微結構的晶域界會因晶界的大量增多而限制晶域界的移動或

轉動而不像大晶粒中的晶域界容易朝相互抵銷極化的方向方向運動近來根據

Arlt[4]等人的研究指出當晶粒尺寸大於 10μm 以上時其介電常數值幾乎保

持一定值當晶粒尺寸介於 1~10μm 之間時介電常數則隨晶粒大小的減少而

增加並且於 1μm 左右達到一最大值之後則隨晶粒大小的減小而下降如

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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Conference ECTC 2005

8

圖 24 鈦酸鋇的相對介電常數隨溫度變化曲線[1]

213 鈦酸鋇的介電特性

早期 Buessem[2]等人利用內應力的機構來解釋小晶粒具有高介電常數的原

因由於鈦酸鋇的介電常數（permittivity）隨內應力的增加而升高且小晶粒內

部的 90 度晶域幾乎不存在導致鈦酸鋇由立方結構變成正方結構時所產生的

內應力在居禮溫度以下無法藉由產生 90 度晶域的形式得到抵銷因而具有較

高的介電性質

另外根據 Martirena[3]等人的研究指出高純度鈦酸鋇的介電常數最高值

發生在晶粒大小約為 07μm 左右其原因是由於在此大小附近一個晶粒約等

於一個晶域此種微結構的晶域界會因晶界的大量增多而限制晶域界的移動或

轉動而不像大晶粒中的晶域界容易朝相互抵銷極化的方向方向運動近來根據

Arlt[4]等人的研究指出當晶粒尺寸大於 10μm 以上時其介電常數值幾乎保

持一定值當晶粒尺寸介於 1~10μm 之間時介電常數則隨晶粒大小的減少而

增加並且於 1μm 左右達到一最大值之後則隨晶粒大小的減小而下降如

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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Conference ECTC 2005

9

圖 25 所示

圖 25 不同粒徑鈦酸鋇粉末的介電常數

10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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10

22 介電理論

221 簡介

介電材料具有介電特性所謂的介電是依據電磁學理論為基礎當材料受

一外加電場作用內部的分子離子或電子會發生極化的現象(polarization)而

極化的現象會影響到材料的介電常數εr介電損耗及頻率穩定溫度係數τf因

此陶瓷介電材料可做一些特殊用途例如介電共振器(DR)常被應用於微波通訊

系統之元件

一般而言極化現象的發生與所處的頻率有密切的關係依所處的頻率高低範

圍所發生的極化機制可分為四種[5]如圖 26 所示而 Moulson 亦將介電材料

之極化機制依不同的頻率範圍下分為下列六種如圖 27 所示[6][7]

一空間電荷極化(space charge polarization)

來自可移動之電荷在電場影響下移動所造成的分極這些空間電荷的出現可

能是因為受到介面的阻礙或者被陷在材料中通常發生約在10-3~102Hz頻率

二電偶極極化（dipolar polarization）

又稱為方向極化分子中常有不平衡的電荷分佈當電場外加於其上時這

些電耦極電荷將順著電場呈平行排列通常發生約在103~108Hz頻率（圖28）

主要可分為

(1)高頻振盪偶極極化機構（high-frequency oscillatory dipoles polarization

mechanism）是由電偶極（dipole）於高頻電場（1015

Hz）下產生振盪形成

偶極之極化

(2)低頻陽離子偶極極化機構（low-frequency cation dipoles polarization

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

11

mechanism）低頻率電場下陽離子因受電場影響作局部輕微之振盪所形成

之極化

三 離子極化（ionic polarization）

離子極化主要是來自於陽離子和陰離子的相對位移通常發生約在

109~10

13Hz頻率

四電子極化(Electron Polarization)

即原子內的電子雲因外加電場作用而偏向另一邊這是所有材料都會發生的

現象通常發生約在紫外線區域 1014

~1016

Hz 頻率

介電材料的總極化率為上述之和可以發現在微波和遠紅外線頻帶內隨著頻

率越往高頻的變動空間極化與電偶極極化已跟不上且電子極化的影響力又遠

不及離子極化因此高介電材料之介電性質主要是由離子極化來決定的且可依

據古典色散理論(Classical Dispersion Theory)再用簡單彈簧和硬球的模型

(Lorentz Oscillator)來表示離子化機構其運動行為如下式 22-1 表示

)exp(0

2

02

2

tiEexmdt

dxmB

dt

xdmF (22-1)

其中 m假設離子質量均為 me 為電荷

B彈簧的阻尼係數(Damping Coefficient)

x離子間距離ω施加電場頻率

ωo施加電場所導致離子恢復平衡之力引起之共振頻率

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

12

圖 26 四種極化機制圖

圖 27 六種不同極化方式圖

（a）電子極化 （b）原子與離子極化

（c）高頻振盪偶極極化（d）低頻陽離子偶極極化

（e）電極周圍空間電荷極化（f）空間電荷極化

13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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13

圖 28 電偶極極化現象圖

222 相對介電常數(Relative Permittivity)

介電陶瓷材料一般常被視為絕緣體但於電場作用下介電陶瓷會產生極化現

象因此影響材料之介電性質介電陶瓷材料通常具有高相對介電常數[4 Michel

Barsoum Fundamentals of Ceramics New York McGRAW-Hill International

Editions pp513-546 1997]為 20ltεrlt100由圖 29 可知各個極化機制皆有其

截止頻率（Cut-off Frequency）於低頻（~102Hz）時四種極化機制均會出現

材料表現出的介電常數即為四種極化機制效應的總和而在較高頻（~109Hz）時

僅存兩種極化機制（離子極化電子極化）因此材料所表現出的介電常數會比

較小介電常數的大小與本身介電陶瓷材料的極化大小有關

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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Conference ECTC 2005

14

圖 29 極化機制和頻率之關係圖

223 高分子-陶瓷-導電粉複合材料介電性質

界面偏極化(interfacial polarization)或空間極化(space charges polarization)是

由於可移動的電荷受界面阻擾所造成如圖210 所示圖中rdquoErdquo為電場rdquo＋rdquo

代表正電荷rdquo－rdquo代表負電荷在高分子－陶瓷複合材料中添加導電性奈米微

粒並利用奈米微粒的高表面積以強化界面偏極化作用提供了增進高分子－陶

瓷複合材料介電常數的另一途徑有關高分子中添加導電性粉末的介電性質變化

已有學者進行各種研究雖然於高分子中添加導電性微粉可大幅提升基材的介電

常數但相對的介電損失亦大幅增加無法符合電容的需求並且基材的介電常

數因而具有很高的頻率依存性因此仍需添加一定含量的高介電陶瓷粉末以降

低介電損失與頻率依存性高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數可以

表示為

Dk CB+dielec Dk CB Dk dielec (7)

15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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15

其中Dk CB+dielec為高分子－陶瓷－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk CB為高分

子－導電奈米粉複合材料的介電常數Dk dielec為高分子－陶瓷複合材料的介電常

數

圖 210 導電性顆粒受電場作用時所產生的界面極化現象

214 有機無機複合材料之介電性質

電容在填充適當的高介電陶瓷粉體其一般要求的特性為

1 高分子陶瓷粉體間具有良好的結合性

2 可製作厚度均勻且最少缺陷之大面積厚膜

3 高的介電常數(~100 適合大部分之應用)

4 低溫硬化

5 高溫穩定性佳

6 低吸水率

7 銅層內層介電層及基板有良好的接著性

8 良好機械性質

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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Conference ECTC 2005

16

影響複合材料介電常數的主要原因包含了下列性質[8910111213]

1 陶瓷粉末介電性質

一般來說陶瓷粉末的介電常數愈高則複合材料的介電常數就愈高陶瓷的

介電性質受到下列因素的影響

(1) 粉末顆粒大小

陶瓷粉末的介電常數與燒結陶瓷體略有不同以鈦酸鋇為例當鈦酸鋇晶粒

在 07~1μm 時燒結陶瓷體介電常數具有最大值更大或是更小的晶粒時

則介電常數變小粉末狀的鈦酸鋇則是顆粒越大則介電常數愈高這是因為

鈦酸鋇存在非鐵電性(nonferroelectricity)的表面層而此表面效應當顆粒變小

時而更加顯著因而降低了粉末的介電常數值而顆粒變大時愈來愈接近

陶瓷體的介電性質

(2) 陶瓷結晶結構與成分

高偏極化結構的材料其介電常數較低偏極化材料的介電常數高例如鈦酸鋇

大於氧化鈦甚多又如為了要提高鈦酸鋇的介電常數可藉由改變其偏極化

結構來達成其中一種方式是採用所謂多摻雜(multi-doping)技術在原本鈦

酸鋇結構中添加 1~5之等價金屬離子(如 LaMgSrZr 等)與鈦酸鋇

形成固溶體以改變居禮溫度使鈦酸鋇的三種結晶相(立方正方長方)

之相轉溫度重合提高在常溫下的介電常數

(3) 粉末的形狀

例如經過理論計算在粉末中隨機分佈於樹脂中時填充長柱狀粉體的複介

電常數大於圓球狀

2 樹酯介電性質[1415]

環氧樹酯的介電常數一般在 3~4 間提高環氧樹脂的介電常數可大幅提高

複合材料之介電常數

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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Conference ECTC 2005

17

3 無機有機混摻比例[16]

兩種介電性質差異大的材料組合(如高介電陶瓷粉體+低介電的高分子樹

酯)其視為兩相材料其有效的介電常數常取決於兩種材料的比例在理論上

非常的複雜尤其當組成的介電常數和導電性(Conductivities)特性差異相當大時

所以有許多的介電混合規則(Mixing rule)被提出來用以計算第二相存在對介電常

數的影響當有第二相存在時可將其作用考慮與基材(Matrix)串聯或並聯之形

式以上 1 2 3 因素可以用所謂的混合理論(mixing rule)來說明不同的學者提

出不同的混合理論舉其重要如下列公式所示

串聯模式 (1)

並聯模式 (2)

log 對數混合模式 (3)

helliphelliphelliphelliphelliphellip

Maxwellrsquos Eq (4)

helliphelliphellip

JS Eq(5)

其中在 Lichtenecker equation 另外假設了一個實驗參數 k此參數牽涉到陶

瓷及高分子材料之種類及特性因此當使用不同的陶瓷及高分子材料時可以自

由選擇 k(0~1)值來驗証實驗數據

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

18

Lich Eq(6)

其中 v1v2 分別為樹脂陶瓷在複合材料中所佔的體積分率v1+ v2=1Dk

Dk1Dk2 分別為複合材料樹脂陶瓷的介電常數

4 不同粒徑的陶瓷粉末摻混

使用不同粒徑的陶瓷粉一起摻混樹脂在混合過程中較小的粉體可以填滿粗

粉體之間的空隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數

[17]

5 有機無機界面（相容性）

陶瓷粉末一般是氧化物屬親水性而環氧樹脂屬油性兩者在界面上較不

相容又為了提高複材介電常數提高了陶瓷粉體的添加比例使得微小的粉體

有可能在樹脂中分散不佳造成粉體凝聚及孔洞（空氣的介電常數=1）的產生而

降低了複材的介電常數

6 摻入導電粉體

添加導電性粉體並利用導電性粉體界面極化作用增進高分子－陶瓷複合

材料介電常數[18]

7 應用之頻率

介電材料中的電荷受到電場作用時因為rdquo慣性rdquo的作用必頇經過一段所

謂的鬆弛時間(relaxation time)才會移動到平衡位置每一種介電材料皆具有特

定的鬆弛時間使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響最大介電損失是發生在鬆

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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Conference ECTC 2005

19

弛過程的週期與外加電場的週期相同時此時介電常數也會下降當鬆弛時間遠

比外加電場週期長時介電損失就很小相同的當鬆弛時間遠比外加電場週期

短時介電損失也很小這種現象尤以鐵電材料最明顯

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

20

第三章實驗方法

31 實驗步驟與實驗材料

311 陶瓷粉末與聚合物混合

本實驗以網版印刷為主因應後續的儀器分析與印刷對位的方便性將不同

比例的複合材料製作成規格統一的試片採用的環氧樹脂為 ITK5517(艾迪克科

技)介電常數為 85(1kHz)ITK5517 黏度較低易於填充高含量無機陶瓷粉末

本研究使用的陶瓷粉末有三種分別為 BaTiO3(BTO1)(NOAH Co)粒徑約 44μm

以下BaTiO3(BTO2)(SEEDCHEN Co)粒徑約 1μmY5V(信昌電子陶瓷) 粒

徑約1μm介電常數為15800Vulcan XC-72碳黑粒徑35nm Al(SHOWA Co)

粒徑約 45μm 以下所使用的塑膠基板(PEI)為台虹公司所提供具有良好的抗熱

性機械特性絕緣性及低易燃性印製的導體膠為冠月股份有限公司 NT-6116

密度 22 導電度6times10-5

Ω-cm 硬化條件於烤箱 150 放置 30 分鐘

本實驗利用三滾筒將陶瓷粉末摻入 ITK5517 樹脂中並且分別討論陶瓷粉

末種類陶瓷粉末粒徑大小陶瓷粉末摻入比例導電粉體等不同參數對介電常

數的影響

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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Conference ECTC 2005

21

表31 ITK5517樹脂資料表

漿料特性

與鈦酸鋇或發光粉相容性佳

硬度佳介電特性佳

ITO薄膜之密著性佳

印刷性優良

一般物性

特性 檢驗結果 檢驗方式

外觀 乳白透明 目測

固含量 約 29~33 wt 1500C 1 小時

附著性 100100 3M 膠帶600

介電常數 85(1kHz) ASTM D150

黏度 2000plusmn500 cps Viscometer

建議使用方法

介電層與發光層建議配製比例

ITK5517介電粉末 ITK5517發光粉末

11~13 113~16

介電層與發光層印刷網版網目數與印刷厚度建議

網目數 印刷厚度(乾膜厚度)

介電層 160~300 目 20μm

發光層 160~200 目 35μm

建議之烘烤條件1250C~130

0C30min (熱風循環烘箱)

22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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22

表32 Y5V陶瓷粉末資料表

規格Y5V

粉體特性 基準 測試值 成型條件 量測值

吸水率(cc100g) 18 生胚直徑(mm) 1000

粉體密度(g cm3) 099 生胚厚度(mm) 031

壓縮密度(g cm3) 328 生胚密度(g cm

3) 363

平均粒徑(μm) 125plusmn015 121 燒結條件及特性 量測值

電器特性 基準 測試值 燒結溫度(0C) 1382

電容量(nF) 1437 持溫時間(min) 120

介電常數 15500plusmn2000 15831 燒結密度(g cm3) 567

DF() ≦100 056 直徑縮率() 1464

IR(MΩ) ≧ 1E+05 厚度縮率() 1050

TCC(-300C~25

0C)() +22~82 -74 樣品條件 量測值

TCC(250C~85

0C)() +22~82 -75 瓷片直徑(mm) 853

瓷片厚度(mm) 028

電極直徑(mm) 610

電極 60銀漿

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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Conference ECTC 2005

23

表33導體膠NT-6116資料表

項 目 NT-6116 測 定 值

外 觀 銀灰色

黏 度(250CBH Type20rpm) 280 dPas

TI(黏度 2rpm 黏度 20rpm) 28

固體成分 76 wt

密 度(250C) 22

薄膜外觀 好

導電度 60times Ωcm

硬 度 2H

對 PET 膜的黏著性 非常好

可撓性 好

儲存條件 250C

實驗方法

【1】將 ITK5517 和陶瓷粉末混合陶瓷粉末重量百分比分別為 20wt30wt

40wt50wt60wt

【2】將調配好不同比例的電容膏利用三軸滾筒進行攪拌使其均勻分散

【3】攪拌後將電容膏抽真空半小時

【4】將 PEI 基版裁剪成 5cm5cm 的大小再用酒精擦拭以利導體膠附著

【5】再利用網版印刷機將銀膠印製在 PEI 基板上形成下電極進行烘乾 130

30 分鐘

【6】將調配好的電容膏利用旋轉塗佈機轉速以 1000rpm 塗佈在電極上

【7】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 80硬化時間 30min

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

24

【8】利用網版印刷機將銀膠印製在電容層上形成面積為 1cm2 之上電極

【9】將印製好的試片進行硬化硬化溫度為 130硬化時間 30 分鐘

【10】利用 HP HP4284A 進行量測 1k~1MHz 之電容特性

【11】使用光學顯微鏡觀測試片剖面量測介電層厚度並計算其介電常數試片

截面如圖 34 所示

PEI 塑膠基板

網印下電極

烘乾

塗佈電容層

硬化

量測

網印上電極

硬化

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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Conference ECTC 2005

25

圖 31 實驗流程圖

圖 32 電容膏配製流程

ITK5517 樹脂 陶瓷粉末

三滾筒

攪拌

電容膏

抽真空

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

26

圖 33 樣品上視圖

圖 34 樣品截面圖

3-2 實驗器材與分析儀器

LCR meter

利用 HP HP4284A LCR meter 量測電容的特性電容值會受到膜厚度尺寸

摻雜比例與粉末等因素影響樣品之電容可以表示成

C (31)

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

27

其中 C 代表電容值 為複合材料的介電常數 為真空介電常數A 為電

極層的面積d 為電極層與電極層的間距

三滾筒(EXAKT)

圖35為三滾筒滾筒的材料為氧化鋯與球磨分散型態相較三滾筒也是

機械分散之形式且是壓縮剪切型分散形式是藉由滾筒間隙中施加大的壓力而

產生大剪切應力之分散模式適用於高黏度高附著力之物料分散的過程如果

陶瓷粉末摻雜濃度較高將造成不易攪拌且球磨分散漿料易附著於罐子上面而無

法適用本實驗使用ITK5517功能性高分子樹脂與陶瓷粉末摻雜不同比例之高黏

度漿料藉由三滾筒的機械力得到最佳的分散

圖 35 三滾筒

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

28

熱示差掃描卡量計(Diffeerential Scanning Calorimeter DSC)

圖 36 NETZSCH DSC 404

此實驗機台為義守大學貴儀中心所屬型號為 NETZSCH DSC 404如圖 36

所示DSC腔體內有兩個阻抗溫度感測器分別在兩邊放上相同的鋁盤一邊放

上所要量測的試片稱為 A部分並與空的另一部份稱為 B部分做比較此時給予兩

邊相同的溫度並對兩邊鋁盤量測熱流A部分上的試片有吸放熱的現象同時

與 B部份做比較如果 A部分熱流大於 B部份表示放熱反之如果 A部分熱流

小於 B部份表示吸熱本實驗中利用 DSC機台量測高分子漿料求得漿料在不同

溫度下的反應以及 Tg點

自動網板印刷機

使用絲網製成網版再將非圖形部份的網目填塞留下網目鏤空的圖形部份

網版印刷的主要製作步驟有以下幾點

1 網版製作圖案的編排網版的輸出

2 選擇網框選擇適合的大小及適當的網目大小網目數目越小可

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

29

可透過的油墨就越多

3 機台調校選擇刮刀硬度印刷速度版距高度印刷壓力

4 正式印刷將被印物置於機台上印刷

5 油墨乾燥使用烘箱乾燥自然乾UV 光照射等乾燥法

網版印刷機（screen printing machine）

網版印刷機有單色印刷機多色印刷機之分有手動半自動全自動之分

以印刷面可分為平面網版印刷機和凹面網版印刷機

圖37為自動平面網版印刷機平面網版印刷機是指在平面上進行印刷平

面網版印刷機的機械結構較其他印刷機械結構簡單是由供料系統印刷機構所

組成印刷用的網版是水平安裝在機板的框架上並配備有橡皮刮刀和上下運動

機構 每印一次 網版上下運動一次 同時橡皮刮刀也作一次來回運動

圖 37 平面自動網版印刷機

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

30

旋轉塗佈機

旋轉塗佈技術的基本原理為透過旋轉塗佈機在旋轉時的離心力使得光阻

劑或其他化學材料均勻地塗佈在基材上

塗佈層的厚度與所塗佈物質的黏滯性與基材間的附著力轉速與旋轉塗

佈時間有關一般而言在旋轉塗佈的過程裡會有兩個階段的轉速在第一階

段低轉速是用來使塗佈的光阻均勻的塗佈在基材上在第二段較高的轉速中

為的是用來控制塗佈的厚度此厚度與第二轉速的平方根成反比也就是說轉速

越高所得到的塗佈厚度就越薄

圖 38 旋轉塗佈機

光學顯微鏡

成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的

對比然而因為可見光的波長高達 4000-7000埃在解析度 (或謂鑑別率解像

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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Conference ECTC 2005

31

能係指兩點能被分辨的最近距離) 的考量上自然是最差的在一般的操作下

由於肉眼的鑑別率僅有 02 mm當光學顯微鏡的最佳解析度只有 02 um 時理

論上的最高放大倍率只有 1000 X放大倍率有限但視野卻反而是各種成像系

統中最大的這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料

圖 39 光學顯微鏡

掃描式電子顯微鏡

利用電子顯微鏡可將樣品表面放大數千倍來觀察其微結構圖 38 為

Hitachi-4700 電子顯微鏡本實驗利用 SEM 來觀察導電碳粉於樹酯中的分佈情

形在使用電子顯微鏡前要先對試片作處理將硬化後的試片於表面鍍金進行

SEM 分析

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

32

圖 310 掃描式電子顯微鏡

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

33

第四章 軟性基板上電容元件介電特性之研究

41 不同硬化溫度對介電特性的影響

從圖41發現ITK5517樹脂未添加陶瓷粉末時起始反應點約為76反應結

束點為132圖42為硬化過程示意圖進行硬化程序時當有機溶劑已完全離

開厚膜電容在132前不斷的進行反應時由於此時的環境溫度高於Tg 點

因此厚膜電容處於柔軟的橡膠態此時厚膜內的陶瓷粒子可能有機會因為重力

的關係做輕微的蠕動(creep)使得原本由於側向推力而靠近的陶瓷粒子產生

更加緻密化的效果從132自然降溫至Tg 點以下厚膜電容型態才完全固化

假若沒有自然降溫可能會造成高分子瞬間收縮而導致陶瓷粒子排列不一致造

成阻值不穩定

圖43為Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值由圖53可

以發現硬化條件為13030min 時所呈現出來每1cm2有最高之電容值符合廠

商所提供的硬化溫度範圍1250C~130

0C30min

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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80

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Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

34

(a)

(b)

圖 41 ITK5517 未摻雜時的 DSC 與 TGA

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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Conference ECTC 2005

35

圖 42 硬化過程示意圖

陶瓷粉末

ITK5517 樹脂內的有機溶劑

T=室溫

T 約 76

T約132

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

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dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

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[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

36

110 115 120 125 130 135 140

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Cap

acit

an

ce(p

Fc

m2)

Temperature(0

C)

圖 43 Polymer 60wt+ BaTiO3 40wt 不同硬化溫度之電容值與介電常數

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

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80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

37

42 製程方式對介電特性之影響

BaTiO3(45μm BTO1)與 ITK5517 樹脂經三軸滾筒攪拌後使用網版印刷與旋

轉塗佈兩種不同的介電層印製方式探討製程方式對複合材料介電特性的影響

圖 44 為 BaTiO3(45μm BTO1) 50wt與 ITK5517 樹脂 50wt使用三軸滾筒攪拌

後 1300 硬化 30 分鐘再分別使用網版印刷與旋轉塗佈兩種印刷方式對不同

BaTiO3(45μm)添加比例對介電特性與介電損(at 1kHz)之影響可以發現使用網印

所製作的樣品介電常數較高但可製作的範圍侷限在粉體含量 30wt~60wt

低於 30wt的混合比例會造成介電膏過於稀釋使網印時容易造成氣泡與孔洞高

於 60wt的比例則會造成介電膏太黏稠無法印製樣品以及使用網版印刷方式的

樣品良率約 50左右圖 55 為網版印刷方式的樣品表面圖可以發現當陶瓷粉

末添加量越低時樣品表面的氣泡與孔洞會明顯的增加附圖 46 47為陶瓷粉

末 BTO1 50樹脂 50wt 分別使用網版印刷方式與旋轉塗佈方式的結構 SEM圖

因此為了克服上述原因本研究使用旋轉塗佈的方式來製作陶瓷高分子複合材

料

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

38

圖 44 印製方式網版印刷與旋轉塗佈對介電特性與介電損之影響

圖 45 網版印刷方式的樣品表面圖

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

39

(a)

(b)

圖 46 網版印刷方式的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

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60

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120

Volume ()

Die

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BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

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BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

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20

40

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Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

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圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

40

(a)

(b)

圖 47 旋轉塗佈的樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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80

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Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

41

43 陶瓷粉末添加量對介電常數的影響

圖 48 為常溫下 BaTiO3(BTO1) 以 20wt30wt40wt50wt 60wt70wt

的比例摻雜於 ITK5517 樹脂固定硬化時間 30 分鐘並改變陶瓷粉末添加量經

HP4284A 量測與公式計算介電常數後的介電常數介電損之關係可以發現當

陶瓷粉末填充率為 20 wt時介電常數值很低經由提高陶瓷粉末添加量介

電常數也隨之升高當陶瓷粉末添加量由 40wt增加到 50wt時介電常數有

明顯增加的趨勢添加量達 70 wt時有最高介電常數圖 49 為陶瓷粉末填

充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面圖圖 410 為陶瓷

粉末填充量 20wt30wt40wt50wt60wt的樣品橫截面 SEM 圖可

以發現當BTO1添加量達60wt時介電層出現明顯的裂縫使介電常數小幅提高

不像 40wt添加到 50wt時的明顯增加且當 BTO1 添加比例達 60wt後可撓

曲的程度隨著粉末添加量增多而大幅降低圖 411 為 BTO1 50wt樣品微結構

SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

圖 412 BaTiO3 (1μm BTO2)陶瓷粉末填充量介電常數與介電損之關係圖

413 為 BTO2 50wt樣品微結構 SEM 圖 (a)表面圖(b)剖面圖圖 414 為常溫下

Y5V(1μm)陶瓷粉末填充量對介電常數與介電損圖 415 為 Y5V 50wt樣品微

結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖可以發現當陶瓷粉末添加量 20wt~50wt時

介電常數隨著添加量提高當Y5V(1μm)的添加量為 50wt時有最高的介電常數

而後再提高陶瓷粉末添加量介電常數則開始下降這是因為陶瓷粉末添加量超過

50wt後高分子樹脂無法完整包覆陶瓷粉末使複合材料出現孔洞與裂痕所造

成

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

42

圖 48 常溫下 BTO1 陶瓷粉末不同填充量的介電特性與介電損

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

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Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

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[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

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40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

43

圖 49 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

(a)

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

44

(b)

(c)

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

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Volume ()

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stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

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t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

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Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

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92 年陶業年會論文集2003

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phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

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Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

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SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

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Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

45

(d)

(e)

圖 410 BTO1 陶瓷粉末填充量為(a)20wt(b)30wt(c)40wt(d)50wt

(e)60wt的樣品橫截面圖

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

46

(a)

(b)

圖 411 BTO1 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

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SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

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Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

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92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

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[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

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Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

47

(a)

(b)

圖 412 BTO2 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

48

(a)

(b)

圖 413 BTO2 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

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ric

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t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

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80

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Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

49

(a)

(b)

圖 414 Y5V 陶瓷粉末填充量(a)介電常數與(b)介電損

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

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[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

50

(a)

(b)

圖 415 Y5V 50wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

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(c)

(d)

74

(e)

(f)

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(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

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SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

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titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

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Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

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92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

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Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

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phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

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advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

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837 -8401996

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SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

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[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

51

44 粉體粒徑對介電常數的影響

圖416 為陶瓷粉末BTO1BTO2依不同比例分別與高分子混合後頻率為

1kHz時的介電特性可發現當50wt時BTO1所呈現的介電常數值較高為

5135(1kHz) BTO2的介電常數為2868(1kHz) 而且BTO1可添加的陶瓷粉末

比例也可增加到70wt介電常數為632(1kHz)因BTO1粉粒較大(約44μm)其

中包含粒徑大小不同的粉粒在混合過程中較小的粉體可以填滿粗粉體之間的空

隙而使高分子單位體積內可包含更多陶瓷粉末進而提高介電常數但當BTO1添

加比例超過50wt後樣品可撓曲的程度卻因陶瓷粉末添加量升高而降低

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

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Maxwells Eq

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Lich Eq(k=055)

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Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

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圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

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圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

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92 年陶業年會論文集2003

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the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

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phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

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Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

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organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

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Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

52

圖 416 頻率為 1kHz 時不同的 BaTiO3 粉末粒徑介電常數與介電損

45 材料種類對介電常數的影響

圖417為陶瓷粉末BTO2Y5V依比例分別與高分子混合後頻率為1kHz時的

介電特性當50wt時BTO2所呈現的介電常數值較高為2868 (1kHz)Y5V的介

電常數為4563(1kHz)可發現在相同的粉體粒徑時使用介電常數較高之陶瓷粉

末混合高分子複合材料可得到較高之介電常數而當添加比例到達50wt以後介

電常數隨著陶瓷粉末添加而減少這是因為粉末添加過多時高分子無法完全包覆

陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕因此當陶瓷粉末添加率達50wt後介電常

數值隨著粉末添加量增加而降低

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

53

圖 417 頻率為 1kHz 時不同介電材料介電特性與介電損

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

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79

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Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

54

46 實驗值與複合材料介電理論公式模擬值

圖 418 為陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係結果

顯示 BTO1 與模擬值差距較大且不符合 Lich Eq模擬方程式BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末兩者皆與 Lich Eq(k=055)的模擬方程式大致吻合且因 BTO2 與 Y5V 陶

瓷粉末粒徑皆為 1μm 所以帶入的 k 值相同

20 30 40 50 60 700

20

40

60

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Volume ()

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con

stan

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BTO1

Maxwells Eq

JS Eq

Lich Eq(k=035)

(a)

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

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Volume ()

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Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

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20 30 40 50 600

20

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Volume ()

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Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

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[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

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Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

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dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

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frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

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Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

55

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

BTO2

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(b)

20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Volume ()

Die

lect

ric

con

stan

t

Y5V

Lich Eq(k=055)

Maxwells Eq

JS Eq

(c)

圖 418 陶瓷-高分子複合材料介電長數實驗值與公式模擬值的關係

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

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Conference ECTC 2005

56

47 添加導電粉體對介電特性的影響

471 添加奈米碳粉對介電特性的影響

圖419 為 ITK5517樹脂與BTO1分別為 50wt時再添加2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉(Vulcan XC-72 碳黑粒徑 35nm)混合後的介電特性可以

發現介電常數隨著碳黑添加量增加大幅提高這是因為當導電碳黑的濃度接近臨

界濃度時碳黑顆粒會形成許多的團簇(cluster)當這些團簇受到外加電場時

會產生類似電容的電極效應因而大為提高了環氧樹脂－陶瓷－碳黑複合材料的

介電常數然而介電損卻也隨著碳粉添加量而大幅提高這是因為碳黑顆粒形成

的團簇雖提高了電容值當團簇(cluster)的碳黑越多所呈現出的導體損相對越高

使複合材料的介電損相對提高許多圖 420 為碳添加量 2wt4wt6wt

8wt10wt樣品剖面 OM 圖圖 421 為碳添加量 2wt樣品微結構 SEM 圖(a)

表面圖(b)剖面圖圖 422 為碳添加量 2wt4wt6wt8wt10wt樣品

微結構 SEM 圖

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

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organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

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Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

57

表41碳黑添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BTO1 50wt

添加碳 002g 1k 9514 0045 0058 6242

10k 9067 0033 0058 5948

100k 8641 0034 0058 5669

1M 7262 0 0058 4764

添加碳 004g 1k 1061 0048 0088 10561

10k 1002 0036 0088 9974

100k 9496 0041 0088 9453

1M 7824 0004 0088 7788

添加碳 006g 1k 3200 065 0073 26425

10k 2507 025 0073 20702

100k 18506 022 0073 15281

1M 1167 009 0073 9636

添加碳 008g 1k 5829 X 0088 58026

10k 5033 43 0088 50102

100k 3387 19 0088 33716

1M 1586 04 0088 15788

添加碳 01g 1k 11570 X 0088 115176

10k 8756 X 0088 87163

100k 7781 56 0088 77457

1M 3385 044 0088 33696

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

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high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

58

圖 419 ITK5517 樹脂 50wt與 BTO1 50wt再而外添加 2wt4wt6wt

8wt10wt碳粉的介電特性與介電損

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

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titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

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[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

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Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

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40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

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Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

59

(a)

(b)

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

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Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

60

(c)

(d)

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

61

(e)

圖 420 碳粉添加量(a) 2wt (b)4wt (c)6wt (d)8wt (e)10wt的試片截面圖

(a)

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

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Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

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148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

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Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

62

(b)

圖 421 碳添加量 2wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

(a)

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

63

(b)

(c)

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

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[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

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40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

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Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

64

(d)

(e)

圖 422 碳添加量(a)2wt(b)4wt(c)6wt(d)8wt(e)10wt的樣品 SEM

截面圖

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

65

472 添加鋁粉添對介電特性的影響

當 ITK5517 樹脂為 50wt且 BTO1 為 50wt時再添加 5wt10wt15wt

20wt25wt30wt40wt50wt的鋁粉 (SHOWA Co)粒徑約 45μm

混合後的介電特性可以發現介電常數隨著鋁粉添加量增加而提高當鋁粉添加

量達 30wt時有最高的介電常數超過 25wt後介電常數隨著鋁粉添加量增

加而降低如圖 424 所示可發現當鋁粉添加比例超過 25wt後介電常數隨

著鋁粉添量增加而減少這是因為粉末添加過多造成高分子無法完全包覆陶瓷粉

體與鋁粉使複合材料出現孔洞與裂痕如圖 424 所示因此當鋁粉添加率達

25wt後介電常數隨著粉末添加量增加而降低圖 425 為 Al 添加量 5wt

10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品剖面 OM 圖圖

426 為 Al 添加量 25wt樣品微結構 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖圖 427 為 Al

添加量 5wt10wt15wt20wt25wt30wt40wt50wt樣品

剖面 SEM 圖

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

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Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

66

表42 鋁粉添加量對複合材料特性的影響

Frequency pF loss 厚度 mm 介電常數

BT150wt+5wtAL 1k 894 0039 0054 5461

10k 8529 0031 0054 5210

100k 814 0035 0054 4972

1M 6855 0002 0054 4187

BT150wt+10wtAL 1k 11132 0041 005 6296

10k 10535 0031 005 5958

100k 1011 0034 005 5718

1M 8323 x 005 4707

BT150wt+15wtAL 1k 11376 0042 0052 6691

10k 108166 0031 0052 6362

100k 10309 0033 0052 6064

1M 859 x 0052 5052

BT150wt+20wtAL 1k 1197 0042 0069 9343

10k 1137 0032 0069 8874

100k 10832 0032 0069 8454

1M 88505 x 0069 6908

BT150wt+25wtAL 1k 14182 005 0079 12673

10k 13409 0036 0079 11983

100k 12751 0031 0079 11395

1M 1010 x 0079 90260

BT150wt+30wtAL 1k 11218 0065 0088 11167

10k 10344 0045 0088 10297

100k 9742 0045 0088 9697

1M 7991 x 0088 7954

BT150wt+40wtAL 1k 8436 0045 0097 9256

10k 7932 0035 0097 8703

100k 7519 004 0097 8250

1M 6358 0015 0097 6976

BT150wt+50wtAL 1k 6561 005 0125 9277

10k 618 0036 0125 8738

100k 5862 004 0125 8289

1M 5622 0025 0125 7949

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

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SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

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titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

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[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

67

圖 423 BTO 添加量 50wt再添加 5wt10wt15wt20wt25wt30wt

40wt50wt鋁粉的介電常數與介電損

如圖 424 所示添加鋁粉時介電常數並不同於碳粉的大幅提升這可能是

因為金屬鋁的氧化物會形成一個緻密的氧化鋁表面防止導體損增加因此當添加

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

68

鋁粉時相對也摻入了介電常數極低的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為

緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料

的介電損維持在一定範圍內

圖 424 頻率為 1kH 時不同的鋁粉添加量對介電常數與介電損之影響

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

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[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

69

(a)

(b)

(c)

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

70

(d)

(e)

圖 425 鋁添加量為(a)0wt(b) 5wt(c) 25wt(d) 30wt(e) 40wt的試

片截面 OM 圖

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

71

(a)

(b)

圖 426 Al 添加量 25wt樣品 SEM 圖(a)表面圖(b)剖面圖

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

72

(a)

(b)

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

73

(c)

(d)

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

74

(e)

(f)

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

75

(g)

(h)

圖427 Al添加量為(a)5wt(b)10wt(c)15wt(d)20wt(e)25wt(f)30wt

(g)40wt(h)50wt 的 SEM 剖面圖

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

76

第五章 結論

本研究是探討電容元件製作在軟性基板上之可行性選擇可以附著於PEI基

板上的功能性樹脂與陶瓷粉末填充物探討厚膜製程技術的影響以及高分子厚膜

電容的介電特性並利用導體粉末介面極化的機制提高複合材料介電常數最後

製作出可撓式電容元件

本研究可得到下列結論

1 複合材料的介電特性有下列兩種機制當陶瓷粉末添加量達一定值時高分子

無法完全包覆陶瓷粉體使複合材料出現孔洞與裂痕介電常數值因而隨著粉

末添加量增加而降低單位體積內可摻入更多陶瓷粉末可以提高複合材料介

電常數

2 當ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (-325mesh) 50wt混合後的介電常數

值較高為5135(1kHz)介電損為0057ITK5517高分子樹脂50wt與BaTiO3 (1

μm) 50wt混合後的介電常數為2868(1kHz)介電損為004ITK5517高分

子樹脂50wt與Y5V (1μm) 混合後的介電常數為4563(1kHz)介電損為004

高 分 子 - 陶 瓷 複 合 材 料 最 高 為 ITK5517 樹 脂 30wt 添 加 BaTiO3

(-325mesh)70wt介電常數可達632(1kHz)介電損為0046

3 利用導電性粉末的界面極化機構可大幅增進高分子-陶瓷-導電複合材料之

介電常數卻也大幅增加介電損因此利用金屬鋁的氧化物會形成一個緻密

的氧化鋁表面防止內部鋁繼續氧化添加鋁粉時相對也摻入了介電常數極低

的氧化鋁造成介電常數未大幅增加卻也因為緻密的氧化鋁表面防止鋁粉團

簇時的導體損產生使高分子-陶瓷-鋁粉複合材料的介電損維持在一定範圍

內

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

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Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

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International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

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[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

77

4 高分子陶瓷複合材料其介電性隨陶瓷粉末添加量增加而小幅增加對於高分

子陶瓷導電粉末複合材料其介電常數隨著鋁的添加量增加而大幅提高介

電損則維持一範圍內藉由控制陶瓷及鋁粉的含量可獲得高介電常數低

介電損失的高分子陶瓷導電粉體複合材料當 ITK5517樹脂50wt添加

BaTiO350wt時在添加鋁粉25wt 頻率為1kHz時介電常數為127(1kHz)

介電損為005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

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SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

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[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

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[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

Conference ECTC 2005

78

參考文獻

[1] 吳朗電工材料 全華出版 (1997)

[2] W R Beussem L E Cross and A K Goswami ldquoPhenomenological theory of

high permittivity in fine-grained barium titanaterdquo J Am Ceram Soc Vol 49

Issue 1 pp 33-36 (1966)

[3] Martirena H T and Burfoot J C ldquoGrain-Size Effect on Peoperties of

SomeFerroelectric CeramicsrdquoJ Phys c7 p3182~3192 (1974)

[4] GArlt DHennings and GDeWith ldquoDielectric properties offine-grained barium

titanate ceramicsrdquo J Appl Phys 58 pp1619ndash1625 [5] G Burns Solid-State

Physics 1985

[5] 邱碧秀電子陶瓷材料 徐氏基金會出版p811997

[6] J R Maldonado and A H Meitzler ldquoFerroelectric Ceramic Light Gates

Operated in a Voltage-Controlled Moderdquo IEEE Tran Electron Devices

148-1571970

[7] Yang Rao Jianmin Qu Tom Marinis and C P Wong Precise Numerical

Prediction of Effective DielectricConstant for PolymerndashCeramic Composite

Based on Effective-Medium Theory IEEE Trans on Compand Packaging

Technol 23(4) 680-683 2000

[8] 向性一國立成功大學礦冶及材料科學研究所博士論文1995

[9] AK Goswami Dielectric properties of unsintered barium titanate J Appl Phys

40619-24 1960

[10]徐錦上胡志明黃芝蘭陶瓷粉末環氧樹脂複合材料之介電性質研究

92 年陶業年會論文集2003

[11] Cho Sung-Dong Lee Sang-Yong Hyun Jin-Gul Paik

79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

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February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

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Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

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1864-1869 2005 Proceedings - 55th Electronic Components and Technology

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79

Kyung-WookldquoComparison of theoretical predictions and experimental values of

the dielectric constant of epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor filmsrdquo

Journal of Materials Science Materials in Electronics v 16 n 2 p 77-84

February 2005

[12] Devaraju Naga Gopi Lee Burtrand I SourceldquoDielectric behavior of three

phase polyimide percolative nanocompositesrdquoJournal of Applied Polymer

Science v 99 n 6 p 3018-3022 Febrary 15 2006

[13] Agarwal V Chahal P Tummala RR Allen MG Improvements and recent

advances in nanocomposite capacitors using a colloidal technique Electronic

Components and Technology Conference 48th IEEE 165 ndash170 1998

[14] Rao Yang Wong CP Qu Jianmin Marinis TomldquoSelf-consistent model for

dielectric constant prediction of polymer-ceramic compositerdquo Proceedings of the

International Symposium and Exhibition on Advanced Packaging Materials

Processes Properties and Interfaces p 44-49 2000

[15] McNeal MP Sei-Joo Jang Newnham RE Particle size dependent high

frequency dielectric properties of barium titanate 1996 Ferroelectrics ISAF 96

Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of 2

837 -8401996

[16] Cho Sung-Dong Lee Joo-Yeon Hyun Jin-Gul Paik Kyung-Wook

SourceldquoStudy on epoxyBaTiO3 composite embedded capacitor films (ECFs) for

organic substrate applicationsrdquo Materials Science and Engineering B Solid-State

Materials for Advanced Technology v 110 n 3 p 233-239 July 25 2004

[17] Xu Jianwen (School of Materials Science and Engineering National Science

Foundation Microsystems Packaging Research Center Georgia Institute of

Technology Atlanta GA 30332-0245) Wong CP SourceldquoDielectric behavior

80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

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80

of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applicationsrdquo

Proceedings - Electronic Components and Technology Conference v 2 p

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