幾十年來，厚膜技術已被證明是一種可靠且經濟高效的方法，可實現高度可靠性的電子電路和組件。混合微電子是燒制厚膜材料的第一個主要應用，并逐漸進入可靠性至關重要的軍事和航空航天應用。無源元件的內外電極一直是另一個傳統的厚膜技術應用市場。厚膜的主要優點之一是它是一種加成工藝，其中各種導體、電阻器和電介質漿料被絲網印刷、燒制或連續固化，從而形成電路。這是一種具有加工效率的電路制造方式：圖案化的絲網相對容易制造，允許靈活的電路設計，而絲網印刷允許特征尺寸也具有靈活性，從數百微米到30微米或更小。

當今電子產品的主要驅動力是小型化、更高的電路密度、適應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使用等生態因素。厚膜技術可以應對這些以及未來的挑戰，并且由于其可靠性、靈活性和適應性，該技術找到了新的應用。

本文介紹了厚膜技術在5G通信、智能汽車、柔性電子等領域的應用。隨著大趨勢繼續推動技術進步，厚膜技術的多功能性、可靠性和適應性有望繼續促進這些進步。

根據定義，厚膜技術已經存在了幾十年甚至幾個世紀。絲網印刷是厚膜漿料的主要應用方法，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年代中期開發了用于電子電路的燒制厚膜，在1960年代獲得了商業吸引力。非燒制的類聚合物厚膜首次出現在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，厚膜技術已被證明是一種可靠、經濟高效的制造高可靠性電子電路和組件方法。混合微電子電路是燒制厚膜材料的第一個主要應用，并已大量用于軍事和航空航天應用，在這些應用中經常遇到惡劣條件，可靠性至關重要。無源元件的內外電極一直是另一個傳統的厚膜技術應用。

當今電子產品的主要驅動力是小型化、更高的電路密度、更高的通信頻率、適應3D、柔性和可拉伸基板等新形態，以及降低能源消耗、減少廢物和減少有毒物質使用等生態因素。厚膜技術具備應對這些挑戰以及未來其他挑戰的能力。厚膜已經并將繼續發展，以促進電信、航空航天、汽車、顯示器、消費電子和醫療領域的進步。

厚膜的主要優點之一是它是一種增材工藝，其中各種導體、電阻器和電介質漿料被連續絲網印刷和燒制(或固化)以形成電路。這為電路制造商帶來了經濟高效、易于擴展的工藝，并減少了與減法工藝方法相關的浪費。圖案化的絲網相對容易制造，允許靈活的電路設計，而絲網印刷允許特征尺寸也具有靈活性，從數百微米到30微米或更小。絲網和漿料技術與厚膜的進步相結合，通過減少線寬降低成本并實現小型化。如圖1中，Fraunhofer ISE展示了用于PERC光伏電池的絲網印刷19μm銀導體接觸線。

▲圖1：Fraunhofer ISE 展示的絲網印刷銀導體的橫截面

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

適當的漿料配方和工藝優化可確保匹配的導體-電阻-電介質系統，從而允許基板或設備制造商使用相同的設備來沉積連續的材料層，以生產他們的電路。厚膜是一種用途廣泛的技術，可以應用在各種基材上。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，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，它通常使用導體、電阻器、電介質和陶瓷釉面。

▲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顯示了各種導體金屬化之間的比較。每種金屬化都有其優點和缺點。黃金用于可靠性最高的應用，在這些應用中，金銀的高成本不僅具有低電阻率和出色的耐化學性，而且還表現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用，黃金的高成本超過了低電阻率和特殊的化學抗性，但它表現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電性；但它會發生銀遷移現象，即，當暴露在潮濕或水中時，銀離子會從一根導線遷移到另一根導線，從而導致短路。

▲圖3：導體性能比較

通過添加鈀或鉑可以減輕遷移現象，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(TCR)高達3927ppm，因此能夠為溫度超限提供安全余量。到目前為止，銅是成本最低的導體，幾乎與銀一樣導電，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行處理和固化或燒制。銅也容易氧化和環境腐蝕，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用的工具箱。

根據電阻填料和應用，發射厚膜電阻范圍從<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，以及其他關鍵應用參數，如擊穿電壓和漏電流。這種廣泛的焊膏產品組合為電路設計人員提供了構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。聚合物厚膜導體主要基于銀。隨著銅開始以金屬化形式出現，電阻器基于碳和電介質允許電路設計者為他們的應用構建一個完整的厚膜系統。

A. 汽車

汽車電子設備需要在擴展的溫度范圍內保持可靠。根據應用，溫度范圍可能從-40到80℃到-55到150℃。此外，厚膜必須經受住惡劣的條件，例如環境和車輛運行產生的振動。因此，所使用的器件和原材料必須能夠可靠地承受數千次溫度循環和85℃85%相對濕度老化以及其他嚴苛的電氣測試。多年來，厚膜技術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。對于燃油液位傳感器，汽油的腐蝕性特別強，因為它含有硫化合物、有機酸、水和酒精。這需要對這些化合物具有高度耐受性的厚膜導體金屬化。銀遷移會導致燃油液位傳感器出現可靠性問題，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、盲點監控、自動制動和再生制動。已經在進行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、雷達、融合激光雷達和超聲波傳感器。燒制和非燒制厚膜技術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、其他車內加熱器和傳感器加熱器。正溫度系數(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節至特定溫度。

B.通信

5G通信通過增加連接性和更高的數據傳輸速率來支持物聯網(IoT)。5G信號濾波器利用高導電銀涂層實現低損耗。這些通常是經過燒制的厚膜銀導體漿料。隨著頻率的增加，這些漿料有望在未來得到很好的使用。預計物聯網應用將越來越多地使用柔性混合電子設備，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用中的低損耗而設計的介電粉末，并澆鑄成磁帶。一種可光成像漿料在LTCC應用中嶄露頭角，通過可光成像漿料的顯影蝕刻可構建比絲網印刷更精細的結構，具有高邊緣分辨率，例如20um或更小。這些更精細的特征尤其適用于高達100-300Ghz的高頻通信，這也是6G通信的愿景。

智能手機等通信設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。現在可提供小至006003(150x75μm)的外殼尺寸。厚膜技術通過專為更細的線路和無缺陷端接而設計的漿料，繼續應對這些組件小型化所面臨的挑戰。

C. 電力電子與可再生能源

幾十年來，厚膜銀導體一直被用作光伏電池的正面柵格觸點，被認為是導電油墨和導電漿料的最大市場。鋁厚膜漿料用于光伏背面金屬化。厚膜也已進入電力電子領域，其中不僅需要高導電性，還需要高導熱性。厚膜在電力電子產品中的另一種用途是用于芯片粘接的燒結銀漿和銅漿。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，這導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. 醫療應用中的厚膜

較早的厚膜應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葡萄糖試紙條(圖4)于1988年問世；現在有很多供應商。

▲圖4：ExacTech葡萄糖傳感器

銀-氯化銀和碳漿也用于連續葡萄糖傳感器。市場上有許多連續傳感器，用于例如 Dexcom G6、Abbott Freestyle Libre 和Eversense CGM 系統。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體膏。

市場上有許多連續傳感器，例如DexcomG6、AbbottFreestyleLibre和EversenseCGM系統。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體漿料。

預計近期和中期的未來增長領域之一是用于可穿戴皮膚貼片和智能服裝的柔性/可拉伸電子產品。這些印刷電子產品必須是柔性的，可在無數次循環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存在，并將會在醫學監測和運動和鍛煉的性能監測方面找到更廣泛的應用。聚合物厚膜漿料已經用于涉及血液樣本的不同類型的檢測疾病，也將在醫療領域得到更廣泛的應用。

E. 印刷電子——新的形態因素

模內電子(IME)是一項已經存在多年的技術，但它最終在汽車、白色家電和消費電子產品中得到了越來越多的應用。將電子設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美感。所使用的厚膜漿料經開發可承受熱成型過程，該過程使用壓力以及高于聚合物軟化點的溫度。

柔性電子產品除了醫療和運動監測外，還允許可折疊/可彎曲的顯示器和柔性觸摸屏。曲面顯示器已經投放市場，并且是IME的一項功能。柔性曲面觸摸屏已經出現在豪華汽車中，預計未來會激增。

F. 智能包裝中的厚膜

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

自2000年代初以來，用于RFID標簽的印刷銀天線一直是印刷電子關注的焦點。然而，帶有硅電子器件和支持傳統電路的智能標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。許多業內人士提出，RFID標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。該行業已在很大程度上轉移到其他應用，但帶有天線和有機晶體管的全印刷RFID標簽仍然處于后臺。

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大厚膜材料的使用到新的加熱器應用。最新的厚膜加熱器更薄，設計成任何形狀，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的設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計寬溫度范圍內的加熱器。

正如Mordor Intelligence報道的那樣，鋼制厚膜加熱器有望為眾多應用提供新型加熱器。使用該技術制造的電路可以在高達400℃的溫度下工作，并適用于各種汽車應用。這些器件是通過將厚陶瓷介電釉與不銹鋼結合在一起制成的，上面印有電阻材料，根據應用情況，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：絲網印刷內電極、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度的焊膏來處理客戶的制造過程。

大多數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，以避免在更嚴酷的應用中發生氧化和可能的環境侵蝕。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用，例如汽車電路。

厚膜技術在跟上當前的大趨勢以及預測電子產品的未來發展方面繼續顯示出其韌性。從智能網聯汽車和其他形式的交通工具到處于起步階段6G通信，以及物聯網的持續增長和所需的連接性，厚膜仍然是實現高可靠性和易于融入的首選技術制造工藝。

醫療傳感器和監控將繼續成為厚膜材料的強勁市場，航空航天、顯示器和各種服務于眾多加熱應用的厚膜加熱器也將如此。

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來源：賀利氏、微納制造產業促進會、傳感器專家網