厚膜技术详解：从浆料成分、制备工艺到关键性能参数

厚膜技术是电子封装与集成领域的一项关键工艺，其核心在于通过丝网印刷的方式，将导体、电阻及绝缘浆料逐层转移至陶瓷基板上，随后经过烘干去除挥发性成分，并在高温环境下完成烧结固化，最终形成包含集成电阻、电容或电感元件的多层互连结构。

这项技术所依赖的厚膜浆料通常具备两大特性。第一，它必须拥有适于丝网印刷的非牛顿流体流变特性，确保浆料在印刷过程中能够保持稳定的形态。第二，其结构本质上是双相复合的：功能相负责赋予最终烧结膜层所需的电学与力学性能，而载体相则负责调控浆料的流变能力，以满足特定工艺需求。

根据成分的根本差异，厚膜浆料可划分为聚合物厚膜、难熔材料厚膜以及金属陶瓷厚膜三大类别。其中，难熔材料厚膜因为需要在1500～1600℃的高温以及还原性气氛下进行烧结，常常被单独归类；而金属陶瓷厚膜则是通过微晶玻璃与金属颗粒的复合，在相对较低的850～1000℃温度区间实现烧结固化。

有效物质

浆料中的有效物质直接决定了烧结后膜层的电学性能——金属颗粒形成导电通路，而绝缘材料则构成介电体。这类颗粒的尺寸通常被严格控制1～10μm范围内，平均直径大约为5μm。颗粒的形貌多种多样，包括球状、鳞片状以及圆片状等，其形态与分布对于最终电性能的一致性至关重要，必须通过精细的粉末制造工艺进行严格调控。

粘贴成分

粘贴成分主要依靠玻璃或金属氧化物来实现浆料与基板之间的牢固附着。玻璃体系通过化学反应与物理浸润的双重机理形成粘接，例如常见的B₂O₃-SiO₂网络结构玻璃，通过添加PbO、Al₂O₃等改性剂来调整其熔点、粘度及热膨胀系数。金属氧化物体系则通过金属元素（如Cu、Cd）与基板表面的氧原子发生反应，生成尖晶石结构，从而形成一种非玻璃键合体系。混合粘贴系统则结合了两者的优势，通过添加ZnO或CaO等氧化物，与低浓度的玻璃相协同作用，在950～1000℃的低温下实现烧结，有效缓解了高温对烧结炉体的损耗。

有机粘贴剂

有机粘贴剂作为触变流体，扮演着双重角色：既维持有效物质与粘贴成分在浆料中的均匀悬浮状态，又赋予浆料丝网印刷所必需的特定流动特性。典型的材料如乙基纤维素，需要在约350℃的温度下完全氧化分解，以避免残留碳对膜层造成污染。溶剂或稀释剂（如萜品醇、丁醇）则用于调节浆料的粘度与蒸汽压，平衡印刷过程中所需的恒定粘度与后续的干燥速率。此外，还会添加增塑剂、表面活性剂等来进一步优化浆料的触变性能。

浆料的制备需要将所有成分按精确比例进行混合，然后通过三辊轧机或球磨机进行充分的分散与均质化，以确保颗粒尺寸均一且无结块。球磨机依靠氧化锆或氧化铝研磨介质产生的剪切力来细化颗粒。

三辊轧机则依靠反向旋转的轧辊之间极小的间隙所产生的高剪切力来实现物料的弥散与脱气，典型的间隙控制在密耳级别。最终浆料的特性由颗粒形态、固体粉末百分比以及粘度这三个核心参数共同表征。

厚膜浆料的关键参数

对厚膜浆料参数的精准调控，是确保其完美适配后续工艺并达到预期最终性能的核心环节。其中，粒度、固体粉末百分比及粘度三大指标尤为关键。

粒度 是衡量颗粒尺寸分布与弥散均匀程度的度量，常通过细度计（FOG）进行量化分析。该装置由一个带有深度渐变斜槽的钢块和一个楔形刮板构成，斜槽深度从50μm渐变至零，并标有相应的微米刻度。

测试时，将少量浆料置于斜槽较深的一端，用刮板匀速刮过。最大颗粒无法通过的刻度位置即指示了浆料中的最大粒径；斜槽中部出现明显条纹处对应的刻度反映了平均粒径；而颗粒基本都滞留的位置则指示了最小粒径。粒度分布直接影响印刷的均匀性与烧结后膜层的致密性，过大的颗粒容易导致印刷时出现条纹或烧结后形成空洞，颗粒过细则可能引发团聚。因此，需要通过球磨或三辊轧机等工艺将颗粒细化并均匀分散，确保其尺寸控制在1-10μm范围内且分布集中。

固体粉末百分比 定义为有效物质与粘贴成分的质量之和占浆料总质量的比值，通常需要控制在85%-92%的区间。该数值通过将浆料加热至400℃使所有有机物完全挥发后，对剩余固体进行称重计算得出。此参数需要在印刷流动性与烧结膜密度之间取得平衡：百分比过高会导致浆料过于黏稠，难以进行丝网印刷；百分比过低则会使烧结后的膜层多孔，图形边缘清晰度不足。值得注意的是，由于有机载体的密度通常低于固体成分，固体粉末的体积百分比会略低于其质量百分比，在实际应用中需结合具体材料的密度差异进行换算。

粘度 作为流体流动特性的核心指标，其单位常用泊（Poise）或厘泊（cP）表示。厚膜浆料需要具备典型的非牛顿流体特性以适应丝网印刷工艺：首先，它需要存在一个显著高于重力的屈服点，确保浆料在静止状态下不会自行流动；其次，需要呈现触变性（即假塑性），即当剪切速率增加时（如刮板推动时），粘度显著降低以便于浆料流畅通过网版，而在剪切停止后，粘度又能快速恢复以维持印刷图形的稳定；第三，需要具有滞后效应，使得粘度随施加的压力降低而升高，这可以防止图形在流平之前因温度升高等因素导致模糊。粘度的测试通常采用锥-板粘度计或纺锤粘度计，后者由于对边界条件控制更严格、读数一致性更高，更适用于研发与生产过程中的浆料表征。需要注意的是，实验室粘度计的读数无法直接转换为实际印刷机上的参数，应在相同测试条件下对不同浆料进行对比，并充分考虑环境温度对粘度的影响。

当前，厚膜技术正朝着更高性能与更环保的方向演进。例如，纳米银浆料通过将银颗粒尺寸减小至纳米级别，显著提升了导电性与焊接可靠性，已广泛应用于5G通信模块和汽车电子领域。为响应欧盟RoHS等环保法规，无铅玻璃体系的研发也在持续推进，旨在减少铅、镉等重金属的使用。此外，数字化印刷技术（如喷墨打印）与厚膜工艺的结合，为实现高精度、低成本的电子制造提供了新路径，特别适用于柔性电子与可穿戴设备对微型化的迫切需求。

对材料科学和精密工艺原理的深入理解，是推动包括厚膜技术在内的众多微电子制造领域持续创新的基础。希望本文对厚膜技术从材料到工艺的解析，能为相关领域的研究者与工程师提供有价值的参考。如果你想与更多同行深入探讨电子封装技术，云栈社区也提供了一个开放的技术交流平台。