用于3D集成电子系统的单片集成一体化超级电容器

本文亮点：

1.采用电沉积、真空抽滤等成熟工艺将正、负极等各组件制备在一张玻璃纤维膜上，制备了一体化超级电容器。

2.采用3D封装技术，将该一体化超级电容器（埋入）集成在PDMS封装基板中，用于驱动3D流水灯电子系统。

【前沿部分】

多功能化和高集成度等是未来电子系统的发展趋势，迫切要求电子元件实现小体积和高密度互联。传统超级电容器的制备一般采取集流体、隔膜、正极和负极的分立堆叠结构，在封装时容易造成错位，增加死体积，从而降低器件的能量密度和功率密度。此外，超级电容器通常作为分离式元件封装，使用时不利于提升未来电子系统的集成度。近日，香港理工大学柴扬课题组与陶肖明课题组采用成熟的工艺，结合未来电子系统的应用需求，制备了一体化超级电容器，并将其埋入封装基板中驱动3D流水灯系统。解决超级电容器结构设计和制备、3D系统工艺兼容等关键技术，一方面可拓展超级电容器的应用领域，另一方面也可为未来高集成度3D系统的发展提供解决方案。

【成果简介】

A．一体化超级电容器的制备

将器件的各组件集成在一张基板上，不仅可以避免组件的分离和错位，而且可以在一定程度上减少非活性物质的占比。一体化超级电容器制备的基本思路是将绝缘基板的两侧（从截面上看，具有一定深度）金属化作集流体，中间部分保留作隔膜。

本课题的具体研究方案如图1所示。首先采用磁控溅射工艺在玻璃纤维膜（厚度约260微米）两侧溅射金属镍作为器件集流体，镍金属在膜表面的渗透深度约为30微米。为提高集流体的导电性并避免镍集流体参与电化学反应，进一步电沉积增厚镍层并化学镀金保护。最后，真空抽滤打孔石墨烯和碳纳米管的复合液作为超级电容器的负极，电沉积片状二氧化锰作为器件的正极，从而完成一体化器件的制备。

图1：一体化超级电容器的制备过程示意图：（a）将Ni溅射到玻璃纤维上部和下部近表面上，中间部分作为隔膜。（b）电化学镀Ni在其表面以提高集电器的导电性。（c）在电化学反应期间化学镀Au以保护Ni层。（d）将HrGO / CNT薄膜真空抽滤到薄膜的一侧作为阳极。（e）将一层MnO₂电沉积到基板的另一侧作为阴极。

1. 一体化超级电容器驱动3D电子系统

3D封装是实现系统高集成度一种非常有前景的技术，埋入式元件如电容、电阻等已经被广泛研究并在产业界取得应用。而3D封装在超级电容器领域罕见报道。为实现3D封装，需突破封装基板、精密布线、穿孔、导电互联等关键材料和技术。

本课题采取的研究方案如下图2a所示。首先，制备兼具韧性和拉伸强度的PDMS/玻璃纤维复合基板，在PDMS固化前将导电铜箔（8微米厚）压合在基板两侧；其次，取两块封装基板，按照设计的四层电路，采用激光技术在基板上蚀刻布线并在相应位置打通孔；最后，将未封装的一体化超级电容器埋入在两个基板中间，用PMDS封装，并在通孔中填导电银浆实现层间互联，贴片相应的元器件，实现3D流水灯系统的制备。图b为3D系统的示意图，图c-f为系统或部件的光学表征图。图g为芯片和计数芯片的信号曲线。图h为系统的演示截图。

图2：3D电子设备的制造，结构表征和演示。（a）用于制造由一体化超级电容器供电3D系统的示意图：（i）PDMS/GF基板的制造;（ii）将Cu箔层压到PDMS/GF基底上;（iii）通过高功率激光刻蚀在基板中的电路图和通孔;（iv）将电子元件安装到基板上;（vi）将一体化超级电容器嵌入基板中并实现互连以形成3D系统。（b）3D电子系统的示意图。（c）样品的顶视图照片。（d）PDMS/GF基底的照片。（e）部分的顶视光学显微镜图像电路图，比例尺：2 mm。（f）包含通孔的基板的横截面光学显微镜图像，比例尺：300μm。（g）电路中定时芯片和十进制计数器芯片的信号。（h）工作期间3D电子设备的屏幕截图。  

Yang Wang, Songyang Su, Lejuan Cai, Bocheng Qiu, Ni Wang, Jie Xiong, Cheng Yang, Xiaoming Tao,* and Yang Chai*, Monolithic Integration of All-in-One Supercapacitor for 3D Electronics, Adv. Energy Mater., 2019, 1900037, DOI:10.1002/aenm.201900037