傳感器關(guān)鍵技術(shù)——厚膜工藝術(shù)的新工藝與新應(yīng)用

幾十年來，厚膜技術(shù)已被證明是一種可靠且經(jīng)濟(jì)高效的方法，可實現(xiàn)高度可靠性的電子電路和組件?；旌衔㈦娮邮菬坪衲げ牧系牡谝粋€主要應(yīng)用，并逐漸進(jìn)入可靠性至關(guān)重要的軍事和航空航天應(yīng)用。無源元件的內(nèi)外電極一直是另一個傳統(tǒng)的厚膜技術(shù)應(yīng)用市場。厚膜的主要優(yōu)點之一是它是一種加成工藝，其中各種導(dǎo)體、電阻器和電介質(zhì)漿料被絲網(wǎng)印刷、燒制或連續(xù)固化，從而形成電路。這是一種具有加工效率的電路制造方式：圖案化的絲網(wǎng)相對容易制造，允許靈活的電路設(shè)計，而絲網(wǎng)印刷允許特征尺寸也具有靈活性，從數(shù)百微米到30微米或更小。

當(dāng)今電子產(chǎn)品的主要驅(qū)動力是小型化、更高的電路密度、適應(yīng)3D和柔性基板等新形式，以及降低能耗、減少廢物和減少有毒物質(zhì)使用等生態(tài)因素。厚膜技術(shù)可以應(yīng)對這些以及未來的挑戰(zhàn)，并且由于其可靠性、靈活性和適應(yīng)性，該技術(shù)找到了新的應(yīng)用。

本文介紹了厚膜技術(shù)在5G通信、智能汽車、柔性電子等領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著大趨勢繼續(xù)推動技術(shù)進(jìn)步，厚膜技術(shù)的多功能性、可靠性和適應(yīng)性有望繼續(xù)促進(jìn)這些進(jìn)步。

根據(jù)定義，厚膜技術(shù)已經(jīng)存在了幾十年甚至幾個世紀(jì)。絲網(wǎng)印刷是厚膜漿料的主要應(yīng)用方法，最早有記載的例子是3000年前在中國為“絲印”顏料開發(fā)的。

自1930年代以來，在陶瓷上印刷金屬薄膜就得到了證明，在50年代中期開發(fā)了用于電子電路的燒制厚膜，在1960年代獲得了商業(yè)吸引力。非燒制的類聚合物厚膜首次出現(xiàn)在1944年公布的專利中，此后允許將電子電路印刷到聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等溫度敏感基材上。從那時起，厚膜技術(shù)已被證明是一種可靠、經(jīng)濟(jì)高效的制造高可靠性電子電路和組件方法?；旌衔㈦娮与娐肥菬坪衲げ牧系牡谝粋€主要應(yīng)用，并已大量用于軍事和航空航天應(yīng)用，在這些應(yīng)用中經(jīng)常遇到惡劣條件，可靠性至關(guān)重要。無源元件的內(nèi)外電極一直是另一個傳統(tǒng)的厚膜技術(shù)應(yīng)用。

當(dāng)今電子產(chǎn)品的主要驅(qū)動力是小型化、更高的電路密度、更高的通信頻率、適應(yīng)3D、柔性和可拉伸基板等新形態(tài)，以及降低能源消耗、減少廢物和減少有毒物質(zhì)使用等生態(tài)因素。厚膜技術(shù)具備應(yīng)對這些挑戰(zhàn)以及未來其他挑戰(zhàn)的能力。厚膜已經(jīng)并將繼續(xù)發(fā)展，以促進(jìn)電信、航空航天、汽車、顯示器、消費電子和醫(yī)療領(lǐng)域的進(jìn)步。

厚膜的主要優(yōu)點之一是它是一種增材工藝，其中各種導(dǎo)體、電阻器和電介質(zhì)漿料被連續(xù)絲網(wǎng)印刷和燒制(或固化)以形成電路。這為電路制造商帶來了經(jīng)濟(jì)高效、易于擴(kuò)展的工藝，并減少了與減法工藝方法相關(guān)的浪費。圖案化的絲網(wǎng)相對容易制造，允許靈活的電路設(shè)計，而絲網(wǎng)印刷允許特征尺寸也具有靈活性，從數(shù)百微米到30微米或更小。絲網(wǎng)和漿料技術(shù)與厚膜的進(jìn)步相結(jié)合，通過減少線寬降低成本并實現(xiàn)小型化。如圖1中，F(xiàn)raunhofer ISE展示了用于PERC光伏電池的絲網(wǎng)印刷19μm銀導(dǎo)體接觸線。

▲圖1：Fraunhofer ISE 展示的絲網(wǎng)印刷銀導(dǎo)體的橫截面

除了絲網(wǎng)印刷之外，厚膜漿料印刷技術(shù)還可以適用于許多應(yīng)用方法。例如噴涂、浸漬、注塑和移印都是常見的印刷技術(shù)。印刷電子產(chǎn)品可以使用凹版、柔版和膠印。

適當(dāng)?shù)臐{料配方和工藝優(yōu)化可確保匹配的導(dǎo)體-電阻-電介質(zhì)系統(tǒng)，從而允許基板或設(shè)備制造商使用相同的設(shè)備來沉積連續(xù)的材料層，以生產(chǎn)他們的電路。厚膜是一種用途廣泛的技術(shù)，可以應(yīng)用在各種基材上。氧化鋁(氧化鋁)和氮化鋁等高溫陶瓷是最常見的，但也可以使用鋼和鋁的匹配系統(tǒng)，從而可以使用更新的厚膜加熱器。

圖2顯示了一個混合微電子電路，它通常使用導(dǎo)體、電阻器、電介質(zhì)和陶瓷釉面。

▲圖2：一個典型的混合動力電路。圖片由大陸汽車公司GMBH提供

圖3顯示了各種導(dǎo)體金屬化之間的比較。每種金屬化都有其優(yōu)點和缺點。黃金用于可靠性最高的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，金銀的高成本不僅具有低電阻率和出色的耐化學(xué)性，而且還表現(xiàn)出較差的可焊性和耐焊料浸出性。黃金用于可靠性要求最高的應(yīng)用，黃金的高成本超過了低電阻率和特殊的化學(xué)抗性，但它表現(xiàn)出較差的耐焊性和焊料浸出性。銀要便宜得多，可焊接，并且在所有金屬中具有最高的導(dǎo)電性；但它會發(fā)生銀遷移現(xiàn)象，即，當(dāng)暴露在潮濕或水中時，銀離子會從一根導(dǎo)線遷移到另一根導(dǎo)線，從而導(dǎo)致短路。

▲圖3：導(dǎo)體性能比較

通過添加鈀或鉑可以減輕遷移現(xiàn)象，但代價是成本更高。鉑金雖然價格昂貴，但具有出色的耐環(huán)境性，是用于低歐姆電阻器的極佳金屬，由于其電阻溫度系數(shù)(TCR)高達(dá)3927ppm，因此能夠為溫度超限提供安全余量。到目前為止，銅是成本最低的導(dǎo)體，幾乎與銀一樣導(dǎo)電，但由于它在高溫下容易氧化，因此必須在氮氣或還原性氣氛中進(jìn)行處理和固化或燒制。銅也容易氧化和環(huán)境腐蝕，需要上釉以防止暴露在空氣和濕氣中。各種金屬鍍層賦予的各種特性為厚膜漿料用戶提供了一個用于其特定應(yīng)用的工具箱。

根據(jù)電阻填料和應(yīng)用，發(fā)射厚膜電阻范圍從<0.1Ω/□到>1.0E6Ω/□以及兩者之間的所有幾十等份。介電漿料基于基材，所使用的金屬化，燒制或固化溫度，以及其他關(guān)鍵應(yīng)用參數(shù)，如擊穿電壓和漏電流。這種廣泛的焊膏產(chǎn)品組合為電路設(shè)計人員提供了構(gòu)建電路所需的靈活性。

聚合物厚膜漿料無需燒制，而是在低溫下固化，可以應(yīng)用于溫度敏感的基材，例如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亞胺和FR4。聚合物厚膜導(dǎo)體主要基于銀。隨著銅開始以金屬化形式出現(xiàn)，電阻器基于碳和電介質(zhì)允許電路設(shè)計者為他們的應(yīng)用構(gòu)建一個完整的厚膜系統(tǒng)。

A. 汽車

汽車電子設(shè)備需要在擴(kuò)展的溫度范圍內(nèi)保持可靠。根據(jù)應(yīng)用，溫度范圍可能從-40到80℃到-55到150℃。此外，厚膜必須經(jīng)受住惡劣的條件，例如環(huán)境和車輛運行產(chǎn)生的振動。因此，所使用的器件和原材料必須能夠可靠地承受數(shù)千次溫度循環(huán)和85℃85%相對濕度老化以及其他嚴(yán)苛的電氣測試。多年來，厚膜技術(shù)已證明在這些條件下運行的可靠性。

汽車歷來在燃料/空氣傳感器、安全氣囊展開傳感器、排氣傳感器、ECU和燃料油位傳感器中使用厚膜技術(shù)。對于燃油液位傳感器，汽油的腐蝕性特別強(qiáng)，因為它含有硫化合物、有機(jī)酸、水和酒精。這需要對這些化合物具有高度耐受性的厚膜導(dǎo)體金屬化。銀遷移會導(dǎo)致燃油液位傳感器出現(xiàn)可靠性問題，需要基于AgPd的合金，如果OEM要求使用無銀合金，則需要AuPtPd。隨著汽車的電動化趨勢，用于燃油液位傳感器的材料將被逐步淘汰，取而代之的是支持電動汽車市場的厚膜材料，尤其是基于厚膜的加熱器和傳感器以及顯示器和觸摸屏。

這些年來，汽車已經(jīng)成為車輪上的電腦，并具有多種駕駛員輔助傳感器，例如車道偏離警告、盲點監(jiān)控、自動制動和再生制動。已經(jīng)在進(jìn)行Beta測試的是完全自動駕駛的車輛。

還需要更多的傳感器來支持安全的自動駕駛，例如激光雷達(dá)、雷達(dá)、融合激光雷達(dá)和超聲波傳感器。燒制和非燒制厚膜技術(shù)都使新傳感器成為可能。

非燒制和在某些情況下燒制的厚膜膏也用于車廂溫度控制、后窗除霧和座椅加熱器，用于在寒冷環(huán)境中的加熱傳感器、電動汽車電池加熱器、后視鏡除冰器、LED前照燈除冰器、方向盤加熱器、其他車內(nèi)加熱器和傳感器加熱器。正溫度系數(shù)(PTC)碳電阻膏最適合這些類型的加熱器，因為它們無需額外控制即可自行調(diào)節(jié)至特定溫度。

B.通信

5G通信通過增加連接性和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率來支持物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。5G信號濾波器利用高導(dǎo)電銀涂層實現(xiàn)低損耗。這些通常是經(jīng)過燒制的厚膜銀導(dǎo)體漿料。隨著頻率的增加，這些漿料有望在未來得到很好的使用。預(yù)計物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將越來越多地使用柔性混合電子設(shè)備，因為它們重量輕，并且可能會取代印刷電路板。

低溫共燒陶瓷（LTCC）中使用的陶瓷是專門為高頻應(yīng)用中的低損耗而設(shè)計的介電粉末，并澆鑄成磁帶。一種可光成像漿料在LTCC應(yīng)用中嶄露頭角，通過可光成像漿料的顯影蝕刻可構(gòu)建比絲網(wǎng)印刷更精細(xì)的結(jié)構(gòu)，具有高邊緣分辨率，例如20um或更小。這些更精細(xì)的特征尤其適用于高達(dá)100-300Ghz的高頻通信，這也是6G通信的愿景。

智能手機(jī)等通信設(shè)備都有無源元件以及其他需要厚薄膜材料的電路。元器件的一個共同主題是隨著電子產(chǎn)品的小型化，元器件也必須小型化，從而增加了對所用厚膜漿料的需求?，F(xiàn)在可提供小至006003(150x75μm)的外殼尺寸。厚膜技術(shù)通過專為更細(xì)的線路和無缺陷端接而設(shè)計的漿料，繼續(xù)應(yīng)對這些組件小型化所面臨的挑戰(zhàn)。

C. 電力電子與可再生能源

幾十年來，厚膜銀導(dǎo)體一直被用作光伏電池的正面柵格觸點，被認(rèn)為是導(dǎo)電油墨和導(dǎo)電漿料的最大市場。鋁厚膜漿料用于光伏背面金屬化。厚膜也已進(jìn)入電力電子領(lǐng)域，其中不僅需要高導(dǎo)電性，還需要高導(dǎo)熱性。厚膜在電力電子產(chǎn)品中的另一種用途是用于芯片粘接的燒結(jié)銀漿和銅漿。這些金屬漿料通常與組裝材料組合在一起，采用注塑或模板印刷，然后在200–250℃燒結(jié)，這導(dǎo)致金屬漿料接近銀或銅的整體特性，同時提供對基板的出色芯片剪切粘合力。燒結(jié)膏為芯片連接中常用的含鉛焊料提供了一種無鉛替代品。

D. 醫(yī)療應(yīng)用中的厚膜

較早的厚膜應(yīng)用之一是葡萄糖試紙，其中將用于對電極/參比電極的銀-氯化銀漿料和用于工作電極的碳-石墨漿料印刷在聚合物基板上。ExacTech制造的市場上第一個電化學(xué)葡萄糖試紙條(圖4)于1988年問世；現(xiàn)在有很多供應(yīng)商。

▲圖4：ExacTech葡萄糖傳感器

銀-氯化銀和碳漿也用于連續(xù)葡萄糖傳感器。市場上有許多連續(xù)傳感器，用于例如 Dexcom G6、Abbott Freestyle Libre 和Eversense CGM 系統(tǒng)。雖然電極組合物是專有的，它們可能含有厚膜含有銀-氯化銀和a的電極糊工作電極的導(dǎo)體膏。

市場上有許多連續(xù)傳感器，例如DexcomG6、AbbottFreestyleLibre和EversenseCGM系統(tǒng)。盡管電極組合物是專有的，但它們可能包含含有銀-氯化銀的厚膜電極漿料和用于工作電極的導(dǎo)體漿料。

預(yù)計近期和中期的未來增長領(lǐng)域之一是用于可穿戴皮膚貼片和智能服裝的柔性/可拉伸電子產(chǎn)品。這些印刷電子產(chǎn)品必須是柔性的，可在無數(shù)次循環(huán)中拉伸而不會失去電氣性能。類似的柔性電子貼片和服裝已經(jīng)存在，并將會在醫(yī)學(xué)監(jiān)測和運動和鍛煉的性能監(jiān)測方面找到更廣泛的應(yīng)用。聚合物厚膜漿料已經(jīng)用于涉及血液樣本的不同類型的檢測疾病，也將在醫(yī)療領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

E. 印刷電子——新的形態(tài)因素

模內(nèi)電子(IME)是一項已經(jīng)存在多年的技術(shù)，但它最終在汽車、白色家電和消費電子產(chǎn)品中得到了越來越多的應(yīng)用。將電子設(shè)備集成到模制塑料面板中可以減輕重量，并提供更簡單的組裝過程和更低的制造成本，同時提供出色的車內(nèi)美感。所使用的厚膜漿料經(jīng)開發(fā)可承受熱成型過程，該過程使用壓力以及高于聚合物軟化點的溫度。

柔性電子產(chǎn)品除了醫(yī)療和運動監(jiān)測外，還允許可折疊/可彎曲的顯示器和柔性觸摸屏。曲面顯示器已經(jīng)投放市場，并且是IME的一項功能。柔性曲面觸摸屏已經(jīng)出現(xiàn)在豪華汽車中，預(yù)計未來會激增。

F. 智能包裝中的厚膜

據(jù)Transparency Market Research報道，基于厚膜的印刷電子產(chǎn)品使智能包裝技術(shù)成為可能，例如，處方提醒、新鮮度指示器、顯示產(chǎn)品是否受到異常高溫或低溫的溫度指示器，以及其他產(chǎn)品信息。溫控薄膜用于協(xié)調(diào)溫度敏感產(chǎn)品的運輸物流。

自2000年代初以來，用于RFID標(biāo)簽的印刷銀天線一直是印刷電子關(guān)注的焦點。然而，帶有硅電子器件和支持傳統(tǒng)電路的智能標(biāo)簽仍然用于貨物的庫存控制，以及高價值物品和車輛的RFID通行證。許多業(yè)內(nèi)人士提出，RFID標(biāo)簽必須是一美分或更少才能用于包裝，目前使用的圖形條形碼實際上是免費的。該行業(yè)已在很大程度上轉(zhuǎn)移到其他應(yīng)用，但帶有天線和有機(jī)晶體管的全印刷RFID標(biāo)簽仍然處于后臺。

G. 厚膜加熱器

更苛刻的性能和新的、獨特的形狀因素正在擴(kuò)大厚膜材料的使用到新的加熱器應(yīng)用。最新的厚膜加熱器更薄，設(shè)計成任何形狀，并提供更高的可靠性，為客戶打開新市場以提高競爭力。厚膜技術(shù)為在各種基板(包括氧化鋁、氮化鋁以及多種等級的鋁和鋼基板)上具有匹配材料系統(tǒng)的設(shè)備提供出色的加熱均勻性。這使加熱器制造商可以靈活地設(shè)計寬溫度范圍內(nèi)的加熱器。

正如Mordor Intelligence報道的那樣，鋼制厚膜加熱器有望為眾多應(yīng)用提供新型加熱器。使用該技術(shù)制造的電路可以在高達(dá)400℃的溫度下工作，并適用于各種汽車應(yīng)用。這些器件是通過將厚陶瓷介電釉與不銹鋼結(jié)合在一起制成的，上面印有電阻材料，根據(jù)應(yīng)用情況，還可以涂上一層釉。這些加熱器可以焊接，并且可以添加孔用于安裝。

H. 無源元件

每個電子電路都需要電阻器、電容器、電感器和其他組件。厚膜漿料廣泛用于無源器件，它使用多種不同的印刷方法：絲網(wǎng)印刷內(nèi)電極、浸漬外電極和噴涂。小型化和成本下降的壓力要求制造商擁有大容量、高效的制造工藝，以便在競爭中勝出，并具備打印和應(yīng)用更小電極以及處理更小零件的能力。這需要具有足夠生膠強(qiáng)度的焊膏來處理客戶的制造過程。

大多數(shù)電容器都是基于賤金屬的，但是一些高可靠性和電力電容器以及其他類型的無源元件將使用貴金屬，以避免在更嚴(yán)酷的應(yīng)用中發(fā)生氧化和可能的環(huán)境侵蝕。基于銀、銀-鈀和銀-鉑-鈀的貴金屬漿料用于壓電陶瓷元件、諧振器、濾波器、電容器、電阻器、變阻器和電感器。柔性銀終端材料特別適用于對振動敏感的應(yīng)用，例如汽車電路。

厚膜技術(shù)在跟上當(dāng)前的大趨勢以及預(yù)測電子產(chǎn)品的未來發(fā)展方面繼續(xù)顯示出其韌性。從智能網(wǎng)聯(lián)汽車和其他形式的交通工具到處于起步階段6G通信，以及物聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)增長和所需的連接性，厚膜仍然是實現(xiàn)高可靠性和易于融入的首選技術(shù)制造工藝。

醫(yī)療傳感器和監(jiān)控將繼續(xù)成為厚膜材料的強(qiáng)勁市場，航空航天、顯示器和各種服務(wù)于眾多加熱應(yīng)用的厚膜加熱器也將如此。

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來源：賀利氏、微納制造產(chǎn)業(yè)促進(jìn)會、傳感器專家網(wǎng)