厚膜材料新技術(shù)趨勢研究——光刻型厚膜漿料

作者：深圳市微納制造產(chǎn)業(yè)促進(jìn)會

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

單針對厚膜電路技術(shù)，其核心材料厚膜漿料就在電子產(chǎn)品制造過程中，應(yīng)用的行業(yè)領(lǐng)域十分廣泛，包括消費(fèi)電子、汽車、物聯(lián)網(wǎng)、電信、生物醫(yī)學(xué)、太空和軍事等。電子產(chǎn)品的持續(xù)進(jìn)步需要創(chuàng)新的功能材料來制造更小、更薄、更靈活的產(chǎn)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(zhì)粉末是主要的功能成份，玻璃粉起粘結(jié)附等輔助作用。厚膜材料可以作為導(dǎo)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(dǎo)電漿料、電阻漿料和電介質(zhì)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(chǎn)品的類型和應(yīng)用。在厚膜材料制造中使用的有機(jī)粘結(jié)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(yùn)輸?shù)交祝d體的成份構(gòu)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(chǎn)品有時也被稱為“墨水”或“油墨”。

厚膜材料應(yīng)用

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

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

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

另一種產(chǎn)品類型稱為聚合物厚膜材料，用于生產(chǎn)柔性電路、加熱器、印刷電路板和其他應(yīng)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(dǎo)電、電阻和絕緣功能的部件。

圖：厚膜材料的應(yīng)用

厚膜材料市場發(fā)展

據(jù)研究機(jī)構(gòu)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(fù)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(fù)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(fù)合年增長率為6.4%。

厚膜漿料新技術(shù)趨勢——黃光化

隨著電子產(chǎn)品小型化的產(chǎn)品進(jìn)化過程在加速，直接影響整機(jī)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(jì)的第二個十年開始，如何實(shí)現(xiàn)小的線寬線距的制造，已經(jīng)成為元器件產(chǎn)業(yè)的極為重要的課題。由于這一產(chǎn)業(yè)的特性，半導(dǎo)體光刻技術(shù)無法大范圍使用，因此，由行業(yè)領(lǐng)軍者引導(dǎo)，元器件產(chǎn)業(yè)開始尋找屬于自己行業(yè)的小線寬線距技術(shù)。

基于以上原因，在低精度的印刷厚膜技術(shù)中引入高精度的光刻技術(shù)元素，成為產(chǎn)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(chǎn)業(yè)進(jìn)化過程的起點(diǎn)。

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(shù)Thick Film Lithography（“厚膜光刻”或“厚膜光蝕”），將多層陶瓷的量產(chǎn)線寬線距率先達(dá)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(jié)構(gòu)，并以此技術(shù)首先量產(chǎn)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(shù)指標(biāo)。（https://www.murata.com/en-us/products/inductor/chip/library/feature/rf）

做為厚膜工藝的技術(shù)核心，引入的光刻功能的厚膜漿料，成為這一技術(shù)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(chǎn)業(yè)的意義和重要程度，相當(dāng)與半導(dǎo)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(jī)載體部分除了印刷屬性外，還要具備光刻屬性?？梢哉J(rèn)為光刻厚膜漿料的有機(jī)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(yīng)屬于光刻材料的一個特殊的類別。

從應(yīng)用方面分析，光刻厚膜漿料專用于量產(chǎn)線寬線距小于30um的電路及相關(guān)電路結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)同一應(yīng)用類型中，低規(guī)格產(chǎn)品一般用印刷厚膜漿料，高技術(shù)指標(biāo)規(guī)格的產(chǎn)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(yīng)的關(guān)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(shù)和厚膜金屬化漿料技術(shù)的交叉技術(shù)，也是厚膜電路技術(shù)領(lǐng)域高精度升級的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

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