厚膜技术的优缺点(厚膜工艺技术的研究)

  混合微电子是烧制厚膜材料的第一个主要应用,并逐渐进入可靠性至关重要的军事和航空航天应用。无源元件的内外电极一直是另一个传统的厚膜技术应用市场。厚膜的主要优点之一是它是一种加成工艺,其中各种导体、电阻器和电介质浆料被丝网印刷、烧制或连续固化,从而形成电路。这是一种具有加工效率的电路制造方式:图案化的丝网相对容易制造,允许灵活的电路设计,而丝网印刷允许特征尺寸也具有灵活性,从数百微米到30微米或更小。

  当今电子产品的主要驱动力是小型化、更高的电路密度、适应3D和柔性基板等新形式,以及降低能耗、减少废物和减少有毒物质使用等生态因素。厚膜技术可以应对这些以及未来的挑战,并且由于其可靠性、灵活性和适应性,该技术找到了新的应用。

  本文介绍了厚膜技术在5G通信、智能汽车、柔性电子等领域的应用。随着大趋势继续推动技术进步,厚膜技术的多功能性、可靠性和适应性有望继续促进这些进步。

  

一、简介

  根据定义,厚膜技术已经存在了几十年甚至几个世纪。丝网印刷是厚膜浆料的主要应用方法,最早有记载的例子是3000年前在中国为“丝印”颜料开发的。

  自1930年代以来,在陶瓷上印刷金属薄膜就得到了证明,在50年代中期开发了用于电子电路的烧制厚膜,在1960年代获得了商业吸引力。非烧制的类聚合物厚膜首次出现在1944年公布的专利中,此后允许将电子电路印刷到聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等温度敏感基材上。从那时起,厚膜技术已被证明是一种可靠、经济高效的制造高可靠性电子电路和组件方法。混合微电子电路是烧制厚膜材料的第一个主要应用,并已大量用于军事和航空航天应用,在这些应用中经常遇到恶劣条件,可靠性至关重要。无源元件的内外电极一直是另一个传统的厚膜技术应用。

  当今电子产品的主要驱动力是小型化、更高的电路密度、更高的通信频率、适应3D、柔性和可拉伸基板等新形态,以及降低能源消耗、减少废物和减少有毒物质使用等生态因素。厚膜技术具备应对这些挑战以及未来其他挑战的能力。厚膜已经并将继续发展,以促进电信、航空航天、汽车、显示器、消费电子和医疗领域的进步。

  

二、厚膜的优点

  厚膜的主要优点之一是它是一种增材工艺,其中各种导体、电阻器和电介质浆料被连续丝网印刷和烧制(或固化)以形成电路。这为电路制造商带来了经济高效、易于扩展的工艺,并减少了与减法工艺方法相关的浪费。图案化的丝网相对容易制造,允许灵活的电路设计,而丝网印刷允许特征尺寸也具有灵活性,从数百微米到30微米或更小。丝网和浆料技术与厚膜的进步相结合,通过减少线宽降低成本并实现小型化。如图1中,Fraunhofer ISE展示了用于PERC光伏电池的丝网印刷19µm银导体接触线。

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  ▲图1:Fraunhofer ISE 展示的丝网印刷银导体的横截面

  除了丝网印刷之外,厚膜浆料印刷技术还可以适用于许多应用方法。例如喷涂、浸渍、注塑和移印都是常见的印刷技术。印刷电子产品可以使用凹版、柔版和胶印。

  适当的浆料配方和工艺优化可确保匹配的导体-电阻-电介质系统,从而允许基板或设备制造商使用相同的设备来沉积连续的材料层,以生产他们的电路。厚膜是一种用途广泛的技术,可以应用在各种基材上。氧化铝(氧化铝)和氮化铝等高温陶瓷是最常见的,但也可以使用钢和铝的匹配系统,从而可以使用更新的厚膜加热器。

  图2显示了一个混合微电子电路,它通常使用导体、电阻器、电介质和陶瓷釉面。

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  ▲图2:一个典型的混合动力电路。图片由大陆汽车公司GMBH提供

  图3显示了各种导体金属化之间的比较。每种金属化都有其优点和缺点。黄金用于可靠性最高的应用,在这些应用中,金银的高成本不仅具有低电阻率和出色的耐化学性,而且还表现出较差的可焊性和耐焊料浸出性。黄金用于可靠性要求最高的应用,黄金的高成本超过了低电阻率和特殊的化学抗性,但它表现出较差的耐焊性和焊料浸出性。银要便宜得多,可焊接,并且在所有金属中具有最高的导电性;但它会发生银迁移现象,即,当暴露在潮湿或水中时,银离子会从一根导线迁移到另一根导线,从而导致短路。

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  ▲图3:导体性能比较

  通过添加钯或铂可以减轻迁移现象,但代价是成本更高。铂金虽然价格昂贵,但具有出色的耐环境性,是用于低欧姆电阻器的极佳金属,由于其电阻温度系数(TCR)高达3927ppm,因此能够为温度超限提供安全余量。到目前为止,铜是成本最低的导体,几乎与银一样导电,但由于它在高温下容易氧化,因此必须在氮气或还原性气氛中进行处理和固化或烧制。铜也容易氧化和环境腐蚀,需要上釉以防止暴露在空气和湿气中。各种金属镀层赋予的各种特性为厚膜浆料用户提供了一个用于其特定应用的工具箱。

  根据电阻填料和应用,发射厚膜电阻范围从<0.1Ω/□到>1.0E6Ω/□以及两者之间的所有几十等份。介电浆料基于基材,所使用的金属化,烧制或固化温度,以及其他关键应用参数,如击穿电压和漏电流。这种广泛的焊膏产品组合为电路设计人员提供了构建电路所需的灵活性。

  聚合物厚膜浆料无需烧制,而是在低温下固化,可以应用于温度敏感的基材,例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺和FR4.聚合物厚膜导体主要基于银。随着铜开始以金属化形式出现,电阻器基于碳和电介质允许电路设计者为他们的应用构建一个完整的厚膜系统。

  

三、当前和未来电子产品中的厚膜

  A. 汽车

  汽车电子设备需要在扩展的温度范围内保持可靠。根据应用,温度范围可能从-40到80℃到-55到150℃。此外,厚膜必须经受住恶劣的条件,例如环境和车辆运行产生的振动。因此,所使用的器件和原材料必须能够可靠地承受数千次温度循环和85℃85%相对湿度老化以及其他严苛的电气测试。多年来,厚膜技术已证明在这些条件下运行的可靠性。

  汽车历来在燃料/空气传感器、安全气囊展开传感器、排气传感器、ECU和燃料油位传感器中使用厚膜技术。对于燃油液位传感器,汽油的腐蚀性特别强,因为它含有硫化合物、有机酸、水和酒精。这需要对这些化合物具有高度耐受性的厚膜导体金属化。银迁移会导致燃油液位传感器出现可靠性问题,需要基于AgPd的合金,如果OEM要求使用无银合金,则需要AuPtPd。随着汽车的电动化趋势,用于燃油液位传感器的材料将被逐步淘汰,取而代之的是支持电动汽车市场的厚膜材料,尤其是基于厚膜的加热器和传感器以及显示器和触摸屏。

  这些年来,汽车已经成为车轮上的电脑,并具有多种驾驶员辅助传感器,例如车道偏离警告、盲点监控、自动制动和再生制动。已经在进行Beta测试的是完全自动驾驶的车辆。

  还需要更多的传感器来支持安全的自动驾驶,例如激光雷达、雷达、融合激光雷达和超声波传感器。烧制和非烧制厚膜技术都使新传感器成为可能。

  非烧制和在某些情况下烧制的厚膜膏也用于车厢温度控制、后窗除雾和座椅加热器,用于在寒冷环境中的加热传感器、电动汽车电池加热器、后视镜除冰器、LED前照灯除冰器、方向盘加热器、其他车内加热器和传感器加热器。正温度系数(PTC)碳电阻膏最适合这些类型的加热器,因为它们无需额外控制即可自行调节至特定温度。

  B.通信

  5G通信通过增加连接性和更高的数据传输速率来支持物联网(IoT)。5G信号滤波器利用高导电银涂层实现低损耗。这些通常是经过烧制的厚膜银导体浆料。随着频率的增加,这些浆料有望在未来得到很好的使用。预计物联网应用将越来越多地使用柔性混合电子设备,因为它们重量轻,并且可能会取代印刷电路板。

  低温共烧陶瓷(LTCC)中使用的陶瓷是专门为高频应用中的低损耗而设计的介电粉末,并浇铸成磁带。一种可光成像浆料在LTCC应用中崭露头角,通过可光成像浆料的显影蚀刻可构建比丝网印刷更精细的结构,具有高边缘分辨率,例如20um或更小。这些更精细的特征尤其适用于高达100-300Ghz的高频通信,这也是6G通信的愿景。

  智能手机等通信设备都有无源元件以及其他需要厚薄膜材料的电路。元器件的一个共同主题是随着电子产品的小型化,元器件也必须小型化,从而增加了对所用厚膜浆料的需求。现在可提供小至006003(150×75µm)的外壳尺寸。厚膜技术通过专为更细的线路和无缺陷端接而设计的浆料,继续应对这些组件小型化所面临的挑战。

  C. 电力电子与可再生能源

  几十年来,厚膜银导体一直被用作光伏电池的正面栅格触点,被认为是导电油墨和导电浆料的最大市场。铝厚膜浆料用于光伏背面金属化。厚膜也已进入电力电子领域,其中不仅需要高导电性,还需要高导热性。厚膜在电力电子产品中的另一种用途是用于芯片粘接的烧结银浆和铜浆。这些金属浆料通常与组装材料组合在一起,采用注塑或模板印刷,然后在200–250℃烧结,这导致金属浆料接近银或铜的整体特性,同时提供对基板的出色芯片剪切粘合力。烧结膏为芯片连接中常用的含铅焊料提供了一种无铅替代品。

  D. 医疗应用中的厚膜

  较早的厚膜应用之一是葡萄糖试纸,其中将用于对电极/参比电极的银-氯化银浆料和用于工作电极的碳-石墨浆料印刷在聚合物基板上。ExacTech制造的市场上第一个电化学葡萄糖试纸条(图4)于1988年问世;现在有很多供应商。

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  ▲图4:ExacTech葡萄糖传感器

  银-氯化银和碳浆也用于连续葡萄糖传感器。市场上有许多连续传感器,用于例如 Dexcom G6、Abbott Freestyle Libre 和Eversense CGM 系统。虽然电极组合物是专有的,它们可能含有厚膜含有银-氯化银和a的电极糊工作电极的导体膏。

  市场上有许多连续传感器,例如DexcomG6、AbbottFreestyleLibre和EversenseCGM系统。尽管电极组合物是专有的,但它们可能包含含有银-氯化银的厚膜电极浆料和用于工作电极的导体浆料。

  预计近期和中期的未来增长领域之一是用于可穿戴皮肤贴片和智能服装的柔性/可拉伸电子产品。这些印刷电子产品必须是柔性的,可在无数次循环中拉伸而不会失去电气性能。类似的柔性电子贴片和服装已经存在,并将会在医学监测和运动和锻炼的性能监测方面找到更广泛的应用。聚合物厚膜浆料已经用于涉及血液样本的不同类型的检测疾病,也将在医疗领域得到更广泛的应用。

  E. 印刷电子——新的形态因素

  模内电子(IME)是一项已经存在多年的技术,但它最终在汽车、白色家电和消费电子产品中得到了越来越多的应用。将电子设备集成到模制塑料面板中可以减轻重量,并提供更简单的组装过程和更低的制造成本,同时提供出色的车内美感。所使用的厚膜浆料经开发可承受热成型过程,该过程使用压力以及高于聚合物软化点的温度。

  柔性电子产品除了医疗和运动监测外,还允许可折叠/可弯曲的显示器和柔性触摸屏。曲面显示器已经投放市场,并且是IME的一项功能。柔性曲面触摸屏已经出现在豪华汽车中,预计未来会激增。

  F. 智能包装中的厚膜

  据Transparency Market Research报道,基于厚膜的印刷电子产品使智能包装技术成为可能,例如,处方提醒、新鲜度指示器、显示产品是否受到异常高温或低温的温度指示器,以及其他产品信息。温控薄膜用于协调温度敏感产品的运输物流。

  自2000年代初以来,用于RFID标签的印刷银天线一直是印刷电子关注的焦点。然而,带有硅电子器件和支持传统电路的智能标签仍然用于货物的库存控制,以及高价值物品和车辆的RFID通行证。许多业内人士提出,RFID标签必须是一美分或更少才能用于包装,目前使用的图形条形码实际上是免费的。该行业已在很大程度上转移到其他应用,但带有天线和有机晶体管的全印刷RFID标签仍然处于后台。

  G. 厚膜加热器

  更苛刻的性能和新的、独特的形状因素正在扩大厚膜材料的使用到新的加热器应用。最新的厚膜加热器更薄,设计成任何形状,并提供更高的可靠性,为客户打开新市场以提高竞争力。厚膜技术为在各种基板(包括氧化铝、氮化铝以及多种等级的铝和钢基板)上具有匹配材料系统的设备提供出色的加热均匀性。这使加热器制造商可以灵活地设计宽温度范围内的加热器。

  正如Mordor Intelligence报道的那样,钢制厚膜加热器有望为众多应用提供新型加热器。使用该技术制造的电路可以在高达400℃的温度下工作,并适用于各种汽车应用。这些器件是通过将厚陶瓷介电釉与不锈钢结合在一起制成的,上面印有电阻材料,根据应用情况,还可以涂上一层釉。这些加热器可以焊接,并且可以添加孔用于安装。

  H. 无源元件

  每个电子电路都需要电阻器、电容器、电感器和其他组件。厚膜浆料广泛用于无源器件,它使用多种不同的印刷方法:丝网印刷内电极、浸渍外电极和喷涂。小型化和成本下降的压力要求制造商拥有大容量、高效的制造工艺,以便在竞争中胜出,并具备打印和应用更小电极以及处理更小零件的能力。这需要具有足够生胶强度的焊膏来处理客户的制造过程。

  大多数电容器都是基于贱金属的,但是一些高可靠性和电力电容器以及其他类型的无源元件将使用贵金属,以避免在更严酷的应用中发生氧化和可能的环境侵蚀。基于银、银-钯和银-铂-钯的贵金属浆料用于压电陶瓷元件、谐振器、滤波器、电容器、电阻器、变阻器和电感器。柔性银终端材料特别适用于对振动敏感的应用,例如汽车电路。

  

四、结论

  厚膜技术在跟上当前的大趋势以及预测电子产品的未来发展方面继续显示出其韧性。从智能网联汽车和其他形式的交通工具到处于起步阶段6G通信,以及物联网的持续增长和所需的连接性,厚膜仍然是实现高可靠性和易于融入的首选技术制造工艺。

  医疗传感器和监控将继续成为厚膜材料的强劲市场,航空航天、显示器和各种服务于众多加热应用的厚膜加热器也将如此。

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