Технологические задачи микроэлектроники

1. «Нанотехнологии - это на сегодняшний день самая прорывная отрасль, это технологии XXI века. И страна, обладающая в полном объеме нанотехнологиями, будет лидером XXI века.» (Из выступления Президента РФ В.В. Путина) Вакуумные технологии производствананоструктурированной электродной фольги для емкостных накопителейи преобразователей энергии

2. Технологические задачи микроэлектроники Тенденция понижения напряжения в интегральных схемах Повышение плотности поверхностного монтажа в сотовых телефонах Научно-технические задачи • Создание технологии синтеза конденсаторных МДМ структур • Разработка сверхёмкого электролитического конденсатора

3. Удельная энергия, Вт• ч/кг 1000 100 10 1 0,1 0,01 топливные элементы литиевые батареи никель-кадмиевые батареи свинцовые батареи СЭК суперконденсаторы (ионисторы) алюминиевые электролити-ческие конденсаторы 10 50 100 100010000 Удельная мощность, Вт/кг Позиционирование СЭК среди других накопителей энергии

4. Электрод АНОДНАЯ ФОЛЬГА КАТОДНАЯ ФОЛЬГА Сепаратор с электролитом Электрод КЛЕЮЩАЯ ЛЕНТА СЕПАРАТОР Устройство СЭК • СЭК по устройству подобны алюминиевым электролитическим конденсаторам. Электродами является тонкая алюминиевая конденсаторная фольга, модифицированная нанесенным на нее высокопористым наноструктурированным покрытием. Пространство между электродами заполнено электролитом, находящимся в сепараторе. • Секция может быть галетного или рулонного типа. • Вся конструкция выполнена в герметичном корпусе, активная часть залита компаундом, герметична.

5. ПУТИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ Конденсаторы на пьезокерамике Электролитические конденсаторы С = ξ0ξ S/h ? ξ~ 400 – 10 000 Sp/Sг~ 5 - 10 ξ~ 4 – 25 Sp/Sг~ 5 - 10 ξ~ 10 - 105 Sp/Sг~ 100 - 105

6. Основные факторы, определяющие емкость электролитической ячейки емкость двойного электрического слоя С1-1 = Се-1 + Сd-1 С-1е = С-1d = = + 

7. Основные параметры, определяющие емкость электролитической ячейки • С1 определяется: • Плотностью свободных электронов - ne, • отражающей свойства металла. • 2. Диэлектрической проницаемостью s, • описывающей свойства внешней среды электролита. • 3. Работой выхода W, • характеризующей взаимодействие обеих сред.

8. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАЗВИТИЯ ПОВЕРХНОСТИ травление Al фольга пора Al - 1000 nm r S1 h S2 S = П*r2 S1 + S2 Вид сверху S1 + S2 = S0 =П*r2 + 2П*r*h h = 40 mkm r = 50 nm Фактор увеличения α: α = S0/S = 1 + 2l/r = 161 – при 50 % пористости с двух сторон α= 160 С уменьшением поры до 5,0 нм α = 1600; до 0,5 нм α = 16000

9. Многослойные структурыПростейший путь 80 мкм - h d = 100 nm α = Sp/So = h/d = 80 мкм / 0,1 = 800 d = 10 nm ;α = Sp/So = 8 000 d = 1 nm ; α = Sp/So = 80 000 Управление ξв диапазоне до 104 Теоретически это увеличит емкость до 108 d h

10. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ЦЕЛЬ ПРОЕКТА • Разработка вакуумного технологического оборудования для производства электронных материалов (анод-катод). • Разработка технологии модифицирования электродных материалов с целью повышения электронной плотности nэ (например, декорирование алюминия или титана серебром или медью). • Разработка технологии формирования диэлектриков с высоким  ( более 100). • Разработка технологии получения твердого электролита в виде пленочного материала. • Разработка конструкции и технологии изготовления перспективного сверхъемкого электролитического конденсатора (СЭК).

11. Электродная фольга – основа СЭК Конденсаторная фольга – до 80% стоимости алюминиевого электролитического конденсатора

12. Полимерная пленка Вакуумная линия транспортировки ионного пучка От ускорителя Устройство горизонтальной и вертикальной развертки ионного пучка Ионно-лучевое формообразование

13. Результаты ионной обработки Фотографии скрытых ионных треков, полученных с помощью электронного микроскопа (Bi-2212)

14. Второй шаг - травление

15. Различные формы микропор

16. Фрактальные алюминиевые структуры

17. Вакуумное оборудование для ионно-лучевого формообразования

18. Магнетронная распылительная система

19. Фрактальные уровни

20. Фрактальные структуры

21. Фрактальные структуры

22. Фрактальная алюминиевая структура на полимерной основе

23. Разработана катодная фольгас высокой емкостью —— 1 m —— 10m • Преимущества перед лучшими зарубежными аналогами: • удельная емкость - 3000 мкФ/см2, что в 5-6 раз выше, чем у зарубежных аналогов, изготовленных по технологии электрохимического травления (450-600 мкФ/см2). Достижимая емкость - до 5000 мкФ/см2; • толщина на 40% меньше; • прочность на 20-30% выше. • Применение напыленной катодной фольги в современных алюминиевых конденсаторах с проводящим полимером в качестве электролита позволяет увеличить их удельную емкость на 70%. Характеристики катодной фольги подтверждены результатами тестирования ведущих мировых конденсаторных компаний.

24. Исследованы наноструктурированные вакуумные покрытия для создания анодной фольги Преимущества перед лучшими зарубежными аналогами: В настоящее время проводится тестирование образцов анодной фольги ведущими японскими и американскими компаниями-производителями конденсаторов.

25. Anode Foil

26. Электролитический конденсаторс напыленными электродами

27. Схематично показана разница в толщине 110 мкм анодной травленой фольги и аналогичной 60 мкм фольги New Foil. Схе

28. Сравнение обычной травленой фольгой для изготовления конденсатора с напыленной фольгой.

29. Созданы экспериментальные образцы вакуумного оборудования для выпуска анодной фольги

30. Разработана концепция промышленных установок для напыления катодной и анодной фольги

31. Разработана концепция промышленных установок для напыления катодной и анодной фольги

32. Разработана конструкция электродной ячейки и корпус СЭК Внешний вид электродной ячейки. Внешний вид корпуса для сверхъемкого электролитического конденсатора, с комплектом электрохимических ячеек.

33. Результаты испытаний экспериментального образца при разряде конденсатора на рабочее напряжение 300В. Сверхъемкий электролитический конденсатор в сборе. Под цифрой 1 обозначен корпус изделия, под цифрой 2 – токосъемные элементы. Результаты испытаний экспериментального образца при разряде конденсатора на рабочее напряжение 300В.

34. Разработано несколько вариантов конструкций СЭК

35. Сверхёмкий электролитический конденсатор (СЭК) • СЭК являются новым видом накопителей электрической энергии. • От оксидно-электролитических конденсаторов они отличаются отсутствием оксидного диэлектрика на электродах. • От ионисторов (суперконденсаторов) они отличаются более высоким напряжением на элементарной ячейке (до 12 Вольт). • По энергоемкости Е2 кДж/кг СЭК находятся между лучшими электролитическими конденсаторами (Е=10-1кДж/кг), и аккумуляторами (Е=102кДж/кг). • По удельной емкости они превосходят электролитические конденсаторыв 250 раз. • СЭК - неполярные изделия. • Цена 1 кДж у СЭК значительно ниже, чем у суперконденсатора. • Стабильность удельной емкости электродов СЭК ±10%. • СЭК являются уникальными приборами, революционным образом меняющими возможности электролитических конденсаторов.

36. Характеристики СЭК • Интервал рабочих напряжений - 0,5...1000 Вольт • Электрическая емкость – 1 мкФ...104 Ф • СЭК являются неполярными приборами • Напряжение элементарной ячейки в любом направлении равно - 12 В • Удельная энергия – 0,8...4 кДж/кг (2-10 кДж/л) • Удельная мощность – 2...10 кВт/кг • Рабочая температура –40...+85 °С • Плотность активной части 2 г/см3. • Количество циклов разряд-заряд -105

37. Примеры выполнения СЭК

38. НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 1. Получение пленок пьезокристаллов с ξ – 100 ÷ 10000. 2. Увеличение поверхностной проводимости электродов за счет кластерного осаждения металлов с высокой проводимостью Cu на Ag. 3. Получение тонких слоев твердых электролитов с высокими характеристиками: ρms/sm – 3000 ξ – 100 ÷ 10000

39. Производство твердого электролита Цель производства: • Создание твердых полимерных электролитов с более высокими характеристиками в сравнении с применяющимися в аналогичных конденсаторах зарубежного исполнения. • Создание твердых полимерных электролитов спротонной проводимостью для накопителей энергии. Инновационная компания «Восток»

40. Технология создания твердого электролита Получение проводящих твердых электролитов на основе ПВС и сульфо- и гетерополикислот. ГЕТЕРОПОЛИКИСЛОТЫ —комплексные кислоты, анион которых образован двумя различными кислотообразующими окислами. На молекулу одного из них приходится несколько молекул другого. Например, фосфорномолибденовая кислота Н7 [Р(Мо2О7)4] состоит из Р2О5·24МоО3·nН2О. Допирование полимеров проводят для увеличения или для придания им электропроводных свойств. Проводимость допированных пленок и ее стабильность во времени определяется количеством кислоты и прочностью ее удерживания в полимерной матрице. Инновационная компания «Восток»

41. Технология заполнения • Пленки полимерного электролита наносятся на электроды методом полива взаимопроникающей смеси исходных компонентов с последующим испарением растворителя.(рис1.) • Разработан способ получения твердоэлектролитной пленки, включающей соли сульфокислоты и гетерополикислот в полимерную матрицу.(1). Инновационная компания «Восток»

42. Технология заполнения • Заполнение пор проводящим полимером производится методом экструзионного ламинирования посредством плоскощелевой головки (рис2.) • При этом способе плоскощелевая головка располагается над протягиваемым под ней материалом, в результате чего на него наносится слой расплава проводящего полимера . Для изготовления многослойных и комбинированных материалов применяются специальные промышленные ламинаторы Инновационная компания «Восток»

43. Заполнение порового пространства • Для улучшения проникновения полимерного расплава в микропоры электродов применяется обработка в вакууме, непосредственно при экструзионном ламинировании Инновационная компания «Восток»

44. Сравнительные характеристики • Преимущества электролита из проводящего полимера: • проводимость на порядки превышает проводимость аналогов, что позволяет резко снизить внутреннее сопротивление конденсатора ESR; • электролит не изменяет проводимость при изменении рабочей температуры конденсаторов в широких пределах (ESR конденсатора практически не зависит от температуры). Инновационная компания «Восток»

45. Перспективные технологии Цели и задачи: • Повышение характеристик конденсаторов и накопителей энергии освоенных и выпускаемых на производстве. • Повышение емкости до 5х105-106 Дж/гр. и более, обеспечивающей существенное превышение характеристик (в 102-103раз) в сравнении с ионисторами. • Технология формирования нанокластеров металлов в жидкой среде и модификация поверхности электродных материалов нанокластерами. • Технология «жидкой» нанокерамики с >20, формирующая на поверхности пористого анода. • Технология формирования многослойной МДМ-структуры с твердым электролитом и нанокерамикой с 20, обеспечивающей толщину функционального элемента на уровне 100-200 нм.

46. Технологическое оборудование для производства нанокластеров металлов и сплавов в жидкой среде. Электродная система Блок питания Реактор

47. Нанокластеры серебра в жидкой среде.

48. Модификация поверхности электродных материалов кластерами серебра.

49. Технология жидкой керамики Низкотемпературный синтез перовскитов PbTiO3 и PbZrO3

50. Граница раздела между электродом и керамикой