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厚膜材料新技术趋势研究——光刻型厚膜浆料

作者:深圳市微纳制造产业促进会

我们之前的文章介绍了厚膜电路技术和薄膜电路技术的工艺流程、技术对比以及各个领域的技术应用。工艺和材料是相辅相成的,技术工艺的发展离不开材料的改进和创新。

单针对厚膜电路技术,其核心材料厚膜浆料就在电子产品制造过程中,应用的行业领域十分广泛,包括消费电子、汽车、物联网、电信、生物医学、太空和军事等。电子产品的持续进步需要创新的功能材料来制造更小、更薄、更灵活的产品。

厚膜材料分类

厚膜材料的类别包括用于制造电子电路的各种功能性油墨和浆料。这些材料通常通过印刷沉积,厚度在 10 到 20 µm 之间。

厚膜材料是由树脂、玻璃粉、贵金属粉末、附着剂、粘合剂、溶剂或稀释剂等各种原材料成分组成的粘性混合物。其中,主体的贵金属粉末或介质粉末是主要的功能成份,玻璃粉起粘结附等辅助作用。厚膜材料可以作为导体、电阻或绝缘体,这取决于其原材料。根据其功能,厚膜材料被称为导电浆料、电阻浆料和电介质浆料。

厚膜材料新技术趋势研究——光刻型厚膜浆料

图:厚膜浆料体系归类

用于制造厚膜材料的原材料的类型决定了产品的类型和应用。在厚膜材料制造中使用的有机粘结剂和稀释剂统称为“载体体系”,因为它们作为载体将活性元素和粘合剂运输到基底,载体的成份构成会直接影响工艺的施工效果。厚膜材料通常被称为“浆料”,因为它们是糊状材料的形式。这种产品有时也被称为“墨水”或“油墨”。

厚膜材料应用

对于导电应用,导电浆料是通过在基混合物中添加某些导电元素,如贵金属来制造的。用于制造导电浆料体的各种金属有金、铂、银、钯、铜、镍等。

在电阻应用中,金属氧化物和专门的聚合物涂层被添加到基础混合物中以制造电阻浆料。

对于介电或绝缘应用,有各种材料被用作绝缘应用的屏障。用于绝缘应用的厚膜材料也被称为釉上浆料,因为它们可以用来修复损伤。

另一种产品类型称为聚合物厚膜材料,用于生产柔性电路、加热器、印刷电路板和其他应用。厚膜材料用于电路板电子元件、低温共烧陶瓷(LTCC)、高温共烧陶瓷(HTCC)、传感器、加热器、光伏等具有导电、电阻和绝缘功能的部件。

厚膜材料新技术趋势研究——光刻型厚膜浆料

图:厚膜材料的应用

厚膜材料市场发展

据研究机构BCC Research数据,全球厚膜材料市场将从2021年的149亿美元增长到2026年的210亿美元,2021-2026年的复合年增长率(CAGR)为7.0%。其中,太阳能电池的厚膜材料市场将从2021年的52亿美元增长到2026年的76亿美元,2021-2026年的复合年增长率(CAGR)为7.8%。电子元件的厚膜材料市场将从2021年的27亿美元增长到2026年的37亿美元,2021-2026年的复合年增长率为6.4%。

厚膜浆料新技术趋势——黄光化

随着电子产品小型化的产品进化过程在加速,直接影响整机体积的电子元器件也越发对小型化有更迫切的需求。从二十一世纪的第二个十年开始,如何实现小的线宽线距的制造,已经成为元器件产业的极为重要的课题。由于这一产业的特性,半导体光刻技术无法大范围使用,因此,由行业领军者引导,元器件产业开始寻找属于自己行业的小线宽线距技术。

基于以上原因,在低精度的印刷厚膜技术中引入高精度的光刻技术元素,成为产业的最优选项。厚膜浆料的光刻功能植入(也叫“黄光化”)也成为了这一产业进化过程的起点。

厚膜材料新技术趋势研究——光刻型厚膜浆料

2014年,村田首先披露了自研的融合光刻的新的厚膜电路工艺技术Thick Film Lithography(“厚膜光刻”或“厚膜光蚀”),将多层陶瓷的量产线宽线距率先达到30um以下的超高精度区间,同时获得了更好的电路形貌结构,并以此技术首先量产了最小型号的01005型电感器,也大幅提升了Q值这一电感器核心技术指标。(https://www.murata.com/en-us/products/inductor/chip/library/feature/rf

做为厚膜工艺的技术核心,引入的光刻功能的厚膜浆料,成为这一技术的最重要环节。因为本身材料的属性,光刻型厚膜浆料(也称感光浆料),对于器件产业的意义和重要程度,相当与半导体制造过程中的“靶材+光刻胶”。下图可以对比引入光刻功能的光刻厚膜浆料与普通印刷厚膜浆料的区别。

厚膜材料新技术趋势研究——光刻型厚膜浆料

光刻厚膜和印刷厚膜的成份比较

成份方面对比,光刻厚膜浆料与印刷厚膜浆料的最大区别是有机载体部分除了印刷属性外,还要具备光刻属性。可以认为光刻厚膜浆料的有机载体,是一个完整个光刻胶体系,具有光刻胶的感光显影等成象特性。而光刻厚膜材料从材料归类上,应属于光刻材料的一个特殊的类别。

从应用方面分析,光刻厚膜浆料专用于量产线宽线距小于30um的电路及相关电路结构。因此,当同一应用类型中,低规格产品一般用印刷厚膜浆料,高技术指标规格的产品类别需要更小的线宽线距则需要用光刻厚膜浆料制造。按功能划分,光刻厚膜浆料与印刷厚膜浆料是一一对应的关系。

厚膜材料新技术趋势研究——光刻型厚膜浆料

综上所述,光刻厚膜浆料是一种近年来发展起来的新兴材料,是光刻胶技术和厚膜金属化浆料技术的交叉技术,也是厚膜电路技术领域高精度升级的重要技术基础。

近几年,整套厚膜光刻工艺技术在国内的导入处于快速上升期,大部分集中于电感器行业。预期未来随着产业的发展对高精度需求的日易增多,厚膜光刻技术将渗透于混合集成电路、SiP、AiP、MEMS、先进封装、传感器、无源集成器件等多个领域。厚膜光刻技术从材料到核心装备的系统国产化进程也将随之进入快车道。

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