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僑務電子報

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創新金屬材料的世代來臨!引領全球、高熵合金高頻通訊應用

2022-12-02
國科會提供
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記者會施教授研究團隊合影,國立臺灣師範大學光電工程研究所楊承山副教授(左2)、國立聯合大學電機工程學系許正興教授(左3)、國科會工程處李志鵬處長(左4)、國立成功大學電機工程學系施權峰教授(左5)、國立成功大學材料科學及工程學系劉浩志教授兼系主任(右4)、國立成功大學材料科學及工程學系許文東教授(右3)及明新科技大學電機工程學系吳炫達助理教授(右2)
記者會施教授研究團隊合影,國立臺灣師範大學光電工程研究所楊承山副教授(左2)、國立聯合大學電機工程學系許正興教授(左3)、國科會工程處李志鵬處長(左4)、國立成功大學電機工程學系施權峰教授(左5)、國立成功大學材料科學及工程學系劉浩志教授兼系主任(右4)、國立成功大學材料科學及工程學系許文東教授(右3)及明新科技大學電機工程學系吳炫達助理教授(右2)

高熵材料為國內自主之發明,具備四元以上多個主元素,比起傳統合金,有更耐高溫、高硬度、耐腐蝕、輕量化與低成本等優勢特性。在國家科學及技術委員會「高熵材料之學理與應用開發」專案計畫支持下,國立成功大學電機工程學系施權峰教授組成跨校、跨領域研究團隊,成功運用計算材料科學設計出具應用性之高熵材料,自行開發特殊的高熵粉體漿料製程技術,提出引領全球的高熵合金高頻通訊元件。此技術具備溫度穩定性佳、原料性價比高、可量產開發以及符合商用標準等優勢,除已獲得發明專利,內容更提出近上百種材料配方與關鍵應用,優異研發成果兼具技術突破與產業應用效益。

智慧通訊時代,生活中常用的電子產品都可看到大量的濾波器、天線、電容與電感等元件。為了增加傳輸距離與降低功耗,這些通訊與被動元件的材料規格越來越高,其中負責傳輸與電極的金屬材料是重要關鍵。目前相關產業多使用金、銀、鈀與鉑等貴金屬,除了價格昂貴,金屬與陶瓷基材材料特性匹配不佳的問題,在高頻應用的影響更大。為了解決這些問題,施教授團隊成功開發出通訊元件應用的高熵材料,具備三個技術亮點:

可取代貴金屬材料,具備低成本優勢:

常用於高頻通訊元件導電層材料的成本高,施教授團隊開發的高熵材料不僅可提供優異的導電性與熱穩定性,其金屬原料成本相較於如鈀、金、鉑與銀等常見貴金屬的價格要低許多,估計可大幅降低元件生產的材料成本至少80%以上,除了可取代貴金屬材料並具備低成本優勢,將為產業帶來革命性的突破。

具備高導電與低熱膨脹係數優勢,更適合高頻通訊元件的應用需求:
適用於高頻元件導電層的材料電阻率需要夠低才能降低損耗,為了克服傳統合金導電率差的問題,施教授團隊設計了能夠固溶的高熵材料,電阻率可小於4 μΩ-cm,可做為金、銀貴金屬外的全新高導電材料選擇。常見的高頻通訊元件以多層佈線堆疊做設計與製造,在生產過程需考量材料經加熱製程的受熱膨脹程度。相較於金或銀的熱膨脹係數,施教授團隊發開發的高熵材料熱膨脹係數介於2~7 ppm/K之間,與常見商用陶瓷基板5~7 ppm/K更加接近,熱穩定性與匹配性優異!可提升金屬-陶瓷共燒製程的導電層接面穩定性,減少金屬擴散及因熱膨脹而剝離等重大問題。

在極端環境的溫度耐受性優異,訊號傳輸可以更遠、更穩定:

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

研究團隊包括成大材料系許文東教授,負責以智慧運算進行高熵合金材料設計與特性預測;成大材料系劉浩志教授,以原子力顯微鏡技術開發金屬附著能檢測技術克服高熵合金應用的工程問題;聯合電機許正興教授協助通訊元件設計和實作;臺師大光電所楊承山教授建立直流到高頻的高熵材料光電特性模型,完成6G高熵合金光電特性量測系統與實驗。施教授團隊在記者會上展示了高熵合金的粉體與漿料產品、高熵合金應用於5G NR波段的天線元件、車用高熵薄膜天線以及高頻濾波器。其關鍵技術與配方均已申請多項專利,與國內數家公司進行產學合作並簽訂合作意向,朝向產業化邁進。除了高頻通訊,同時也將延伸團隊能量到國防、生醫、光電與半導體領域。成功大學在2022年底設立了「高熵科技應用中心」,作為該團隊研發高熵材料的產學研合作平台,積極開發與推廣高熵材料之產業應用。

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