厚膜材料新技術趨勢研究——光刻型厚膜漿料

作者：深圳市微納制造產業(yè)促進會

我們之前的文章介紹了厚膜電路技術和薄膜電路技術的工藝流程、技術對比以及各個領域的技術應用。工藝和材料是相輔相成的，技術工藝的發(fā)展離不開材料的改進和創(chuàng)新。

單針對厚膜電路技術，其核心材料厚膜漿料就在電子產品制造過程中，應用的行業(yè)領域十分廣泛，包括消費電子、汽車、物聯(lián)網、電信、生物醫(yī)學、太空和軍事等。電子產品的持續(xù)進步需要創(chuàng)新的功能材料來制造更小、更薄、更靈活的產品。

厚膜材料分類

厚膜材料的類別包括用于制造電子電路的各種功能性油墨和漿料。這些材料通常通過印刷沉積，厚度在 10 到 20 μm 之間。

厚膜材料是由樹脂、玻璃粉、貴金屬粉末、附著劑、粘合劑、溶劑或稀釋劑等各種原材料成分組成的粘性混合物。其中，主體的貴金屬粉末或介質粉末是主要的功能成份，玻璃粉起粘結附等輔助作用。厚膜材料可以作為導體、電阻或絕緣體，這取決于其原材料。根據(jù)其功能，厚膜材料被稱為導電漿料、電阻漿料和電介質漿料。

圖：厚膜漿料體系歸類

用于制造厚膜材料的原材料的類型決定了產品的類型和應用。在厚膜材料制造中使用的有機粘結劑和稀釋劑統(tǒng)稱為“載體體系”，因為它們作為載體將活性元素和粘合劑運輸?shù)交?，載體的成份構成會直接影響工藝的施工效果。厚膜材料通常被稱為“漿料”，因為它們是糊狀材料的形式。這種產品有時也被稱為“墨水”或“油墨”。

厚膜材料應用

對于導電應用，導電漿料是通過在基混合物中添加某些導電元素，如貴金屬來制造的。用于制造導電漿料體的各種金屬有金、鉑、銀、鈀、銅、鎳等。

在電阻應用中，金屬氧化物和專門的聚合物涂層被添加到基礎混合物中以制造電阻漿料。

對于介電或絕緣應用，有各種材料被用作絕緣應用的屏障。用于絕緣應用的厚膜材料也被稱為釉上漿料，因為它們可以用來修復損傷。

另一種產品類型稱為聚合物厚膜材料，用于生產柔性電路、加熱器、印刷電路板和其他應用。厚膜材料用于電路板、電子元件、低溫共燒陶瓷（LTCC）、高溫共燒陶瓷（HTCC）、傳感器、加熱器、光伏等具有導電、電阻和絕緣功能的部件。

圖：厚膜材料的應用

厚膜材料市場發(fā)展

據(jù)研究機構BCC Research數(shù)據(jù)，全球厚膜材料市場將從2021年的149億美元增長到2026年的210億美元，2021-2026年的復合年增長率（CAGR）為7.0%。其中，太陽能電池的厚膜材料市場將從2021年的52億美元增長到2026年的76億美元，2021-2026年的復合年增長率（CAGR）為7.8%。電子元件的厚膜材料市場將從2021年的27億美元增長到2026年的37億美元，2021-2026年的復合年增長率為6.4%。

厚膜漿料新技術趨勢——黃光化

隨著電子產品小型化的產品進化過程在加速，直接影響整機體積的電子元器件也越發(fā)對小型化有更迫切的需求。從二十一世紀的第二個十年開始，如何實現(xiàn)小的線寬線距的制造，已經成為元器件產業(yè)的極為重要的課題。由于這一產業(yè)的特性，半導體光刻技術無法大范圍使用，因此，由行業(yè)領軍者引導，元器件產業(yè)開始尋找屬于自己行業(yè)的小線寬線距技術。

基于以上原因，在低精度的印刷厚膜技術中引入高精度的光刻技術元素，成為產業(yè)的最優(yōu)選項。厚膜漿料的光刻功能植入（也叫“黃光化”）也成為了這一產業(yè)進化過程的起點。

2014年，村田首先披露了自研的融合光刻的新的厚膜電路工藝技術Thick Film Lithography（“厚膜光刻”或“厚膜光蝕”），將多層陶瓷的量產線寬線距率先達到30um以下的超高精度區(qū)間，同時獲得了更好的電路形貌結構，并以此技術首先量產了最小型號的01005型電感器，也大幅提升了Q值這一電感器核心技術指標。（https://www.murata.com/en-us/products/inductor/chip/library/feature/rf）

做為厚膜工藝的技術核心，引入的光刻功能的厚膜漿料，成為這一技術的最重要環(huán)節(jié)。因為本身材料的屬性，光刻型厚膜漿料（也稱感光漿料），對于器件產業(yè)的意義和重要程度，相當與半導體制造過程中的“靶材+光刻膠”。下圖可以對比引入光刻功能的光刻厚膜漿料與普通印刷厚膜漿料的區(qū)別。

光刻厚膜和印刷厚膜的成份比較

成份方面對比，光刻厚膜漿料與印刷厚膜漿料的最大區(qū)別是有機載體部分除了印刷屬性外，還要具備光刻屬性?？梢哉J為光刻厚膜漿料的有機載體，是一個完整個光刻膠體系，具有光刻膠的感光顯影等成象特性。而光刻厚膜材料從材料歸類上，應屬于光刻材料的一個特殊的類別。

從應用方面分析，光刻厚膜漿料專用于量產線寬線距小于30um的電路及相關電路結構。因此，當同一應用類型中，低規(guī)格產品一般用印刷厚膜漿料，高技術指標規(guī)格的產品類別需要更小的線寬線距則需要用光刻厚膜漿料制造。按功能劃分，光刻厚膜漿料與印刷厚膜漿料是一一對應的關系。

綜上所述，光刻厚膜漿料是一種近年來發(fā)展起來的新興材料，是光刻膠技術和厚膜金屬化漿料技術的交叉技術，也是厚膜電路技術領域高精度升級的重要技術基礎。

近幾年，整套厚膜光刻工藝技術在國內的導入處于快速上升期，大部分集中于電感器行業(yè)。預期未來隨著產業(yè)的發(fā)展對高精度需求的日易增多，厚膜光刻技術將滲透于混合集成電路、SiP、AiP、MEMS、先進封裝、傳感器、無源集成器件等多個領域。厚膜光刻技術從材料到核心裝備的系統(tǒng)國產化進程也將隨之進入快車道。