導電漿料通常由金屬粉體或其他導電功能粉體、粘接劑和有機載體組成,以膏狀形態印刷或涂布在基板表面,經燒結或固化后形成穩定的導電層。它常被用于構建端電極、導電通路和互連層,從片式電阻、電容等基礎元件,到光伏電池的柵線、觸摸屏的導電圖案,乃至射頻天線的導體結構,幾乎都能看到它的身影。可以說,導電漿料是電子器件電流可靠傳導的關鍵支撐。下面,我們就來盤點一下它在不同領域的主要應用場景。
一、被動元器件內電極、端電極
被動元件是電子電路中不可或缺的組成部分,與晶體管、集成電路等主動元件相對。它們本身不提供能量增益或放大功能,而是通過存儲、消耗或傳輸能量來對電流和電壓進行控制與調節。在常見的電子元件中,電容用于儲能與濾波,電阻用于分壓與限流,電感則用于儲能與耦合,這三類構成了被動元件的基本代表。
MLCC多層陶瓷電容器(來源:村田)
1、MLCC(多層陶瓷電容器)
多層陶瓷電容器(Multi-LayerCeramicCapacitor,MLCC)MLCC的基本功能是儲存和釋放電能,在實際電路中廣泛用于濾波、去耦、旁路、耦合和調諧,從而起到平滑電壓、抑制干擾、穩定電源的作用。
MLCC由印好電極(內電極)的陶瓷介質膜片以錯位的方式疊合起來,經過一次性高溫燒結形成陶瓷芯片,再在芯片的兩端封上金屬層(外電極),從而形成一個類似獨石的結構體,故也叫獨石電容器。與電解電容、鉭電容相比,MLCC的特殊優勢在于小型化、頻率特性好、可靠性高和適合大規模貼片生產,因此在現代電子電路中幾乎無處不在。
電路板上密密麻麻的它(MLCC)
來源:電子製造,工作狂人(ResearchMFG)
在MLCC的結構中,內電極與外電極均由導電漿料印刷或涂覆形成。根據所用材料與應用需求的不同,電極體系主要分為貴金屬系列(NME,Ag-Pd等)和賤金屬系列(BME,Ni、Cu等),賤金屬電極憑借低成本和可量產優勢,是目前的主流選擇;而貴金屬電極則因其穩定性和可靠性更高,仍被應用在高壓、高可靠性或其他特殊要求的產品中。
①內電極
MLCC的內電極早期多采用Ag-Pd銀鈀合金導電漿料,具有化學穩定性好、工藝成熟可靠的優點,但因貴金屬成本高,不利于大規模低成本生產。隨著電子行業的發展,逐漸轉向Ni鎳導電漿料,其成本低、資源豐富,可實現超薄介質層和多層疊加,但鎳易氧化,需要在還原氣氛中燒結。近年來,Cu銅漿料也成為研究方向,因其成本更低、導電性優良而具備潛力,但極易氧化,對工藝環境要求嚴苛,目前尚未廣泛應用。
②外電極
MLCC外電極:通常采用Ag、Cu在陶瓷芯片兩端燒結形成端子電極,隨后表面再電鍍Ni層以防止擴散和提升抗腐蝕性,并覆蓋Sn層以增強可焊性,從而確保器件能與電路板可靠連接。
2、厚膜片式電阻
電阻的核心作用是限制電流、分壓、分流以及作為電路的負載,從而精確控制電流的流動,提供穩定的電阻值來保護電路。
上圖帶數字的是片式電阻,有些體積極小或者特殊電阻可能不印字
片式電阻通常由陶瓷基體、阻性膜層、端電極和保護層構成,按照工藝可分為薄膜片式電阻和厚膜片式電阻兩大類。其中,厚膜片式電阻因工藝成熟、成本低廉、適用范圍廣,成為目前國內外產量最高、使用最廣泛的主流產品。
電阻結構示意圖
厚膜片式電阻的大致制備流程(電極優先路線):
厚膜片式電阻以氧化鋁陶瓷為基體,先在兩端印刷導電漿料(Ag、Ag-Pd、Ni或Cu)形成電極接觸區,再在其間印刷電阻漿料(RuO?、RhO?等金屬氧化物與玻璃粉混合體系)并燒結成阻性膜層。隨后通過激光修調阻值,將大板切割成單顆芯片,在兩端蘸覆導電漿料燒結形成U字形包邊端電極,再依次電鍍Ni層(阻擋擴散、增強耐蝕性)和Sn層(提升可焊性),最后覆蓋保護層,從而得到結構穩定、可批量貼裝的成品電阻。
3、多層片式電感--疊層型電感
電感在電路中主要用于儲能、濾波、振蕩和信號耦合,是高頻和電源管理電路中的常見元件。在片式電感中,按照制造工藝的不同,常見的類型主要有繞線型和疊層型兩種。二者在結構、性能和應用上各有側重:繞線電感以高Q值和大電流承載能力見長,而疊層電感則憑借小型化和優良的高頻特性成為移動終端與射頻電路的主流選擇。
繞線電感
疊層型電感(多層片式電感)示意圖:
疊層型電感通常由陶瓷或磁性材料基體、內部導電線圈、端電極和保護層構成。其內部線圈通過在陶瓷生片上絲網印刷Ag、Cu等導電漿料形成螺旋圖案,并在需要的位置預打通孔并填充導電漿料,層層疊合壓合后高溫共燒,使線圈圖案與通孔一體固化,最終構成三維電感體。端電極則采用Ag、Cu漿料燒結形成,并通過Ni/Sn電鍍提升可焊性和耐蝕性,表面再覆蓋環氧或玻璃釉保護層。憑借體積小、頻率特性優良和適合自動化貼裝的優勢,疊層型電感廣泛應用于通信、計算機、消費電子和汽車電子等領域。
二、半導體功率器件封裝
功率半導體器件作為電力電子裝置的核心元件,對于系統的性能和可靠性具有決定性作用,而封裝是承載器件的載體,也是保證SiC芯片可靠性、充分發揮性能的關鍵。新一代功率器件如SiC,雖然帶來了更快的開關速度,但也伴隨著更高的工作溫度(可達300℃)。這一條件遠遠超過了傳統硅器件(通常在150℃以下)所使用的封裝材料與結構的耐受范圍,使得現有封裝方案在高溫環境下容易出現失效,難以充分發揮寬禁帶器件的優勢。
在這一背景下,傳統焊料(焊錫或銀環氧等)在高溫下易疲勞失效,成為制約性能釋放的關鍵瓶頸。低溫燒結銀技術因此成為業界關注的主流方案。該技術依賴含納米銀顆粒的導電漿料,通過利用顆粒的高表面能,在150–250℃的低溫下即可實現固相燒結,最終形成致密的銀互連層。燒結后的銀層具備接近塊體銀的電導率和熱導率,能夠長期承受300℃以上的高溫環境,而且具有比傳統焊料更好的散熱能力,因此已被廣泛應用于SiC、GaN等功率器件的芯片–基板互連中。
與此同時,燒結銅也成為新的研發熱點。與銀相比,銅資源豐富、成本更低,導電性也十分優異;如果能夠解決易氧化的問題,納米銅漿料同樣具備在較低溫度在攻關之中。可以說,燒結銀是當下的成熟選擇,而燒結銅則是未來的潛力方向。
三、光伏電池與新能源器件
在光伏電池中,導電漿料主要用于收集光生載流子并傳導電流;而在燃料電池、超級電容器等新能源器件中,則更多承擔著降低界面電阻、提升電子傳輸效率的作用。
1、光伏電池
硅太陽能電池是目前應用最廣泛的光伏電池,其工作原理基于半導體的光生伏特效應。當光照射到硅片上時,光子能量被硅材料吸收,激發電子–空穴對。由于電池內部的PN內建電場作用,電子和空穴被分離并定向遷移,從而在外電路中形成電流,實現光能向電能的轉化。
在這一過程中,導電漿料是關鍵材料:正面柵線:采用銀漿(Agpaste),通過絲網印刷形成細柵,收集載流子并導出電流;背電極:多用鋁漿(Alpaste)或Ag/Al漿料,提供良好的歐姆接觸和反射作用,提升效率。可以說,電子漿料直接決定了硅太陽能電池的導電性能與光電轉換效率。
隨著光伏技術不斷演進,硅太陽能電池也在向更高效率方向發展,從PERC到TOPCon、HJT,再到硅+鈣鈦礦疊層等新一代多結電池,對導電漿料提出了更高要求:既要實現更精細的柵線和更低的銀耗,又要滿足低溫固化、透明化、柔性化等新工藝需求。
受限于銀的成本和資源壓力,目前銅基導電漿料正在成為替代方案的研究重點;而在鈣鈦礦等新型光伏電池中,碳基導電漿料也被用作低成本背電極的探索路徑。
2、新能源器件
在燃料電池、超級電容器以及鋰/鈉電池等新能源器件中,導電漿料(導電劑)的作用與光伏不同,更強調電子傳輸效率與界面穩定性。這類漿料多以碳基體系(炭黑、碳納米管、石墨烯)為主,能夠在電極與集流體之間構建導電網絡,降低界面阻抗和接觸電阻,同時提升耐腐蝕性和循環穩定性。無論是燃料電池的雙極板涂層,還是超級電容器與電池電極的涂布材料或集流體修飾層,其本質功能都是作為界面調控劑和電子傳輸橋梁,為器件提供穩定、低阻的電流通路,從而直接影響效率與壽命。
四、顯示器與傳感器
在顯示器與傳感器領域,導電漿料的功能有所不同,但核心都是形成電極與電路圖案,保證信號的高效采集與傳輸。
1、觸摸屏及顯示器
觸摸屏及顯示器大家都不陌生,常見智能機屏幕及平板等就有觸摸屏及顯示器兩個組件組合起來。觸摸屏幕分為兩種,用手指按的是電容屏,拿筆或者指甲蓋戳的是電阻屏。而一般的電視、電腦等顯示器就是只有顯示功能的,當然不一般也有觸摸功能。
電容式觸控屏原理(來源:宇錫科技)
電容觸摸屏是基于人體的電容感應技術。當手指觸摸到屏幕時,手指會與屏幕表面形成一個耦合電容,導致屏幕上特定位置的電容值發生變化。通過檢測這個電容值的變化,控制系統可以精確計算出觸摸點的位置,并將其轉化為指令來執行操作。
電容式觸摸屏通常由多層材料構成,包括:1、最外層的玻璃保護層:這是用戶直接接觸的表面,需要足夠堅固以抵抗磨損和劃傷。2、導電層:通常由透明導電材料制成,用于感應觸摸。3、絕緣層:位于兩個導電層之間,確保它們之間不會直接導電。4、底層的導電層:與頂層的導電層類似,也由透明導電材料構成。
早期觸摸屏的透明導電膜層主要采用ITO(氧化銦錫),工藝方式多為磁控濺射沉積。然而,ITO剛性大、易脆裂,無法滿足彎折/柔性應用,并且銦資源稀缺、成本高。隨著柔性屏、可穿戴設備的發展,行業逐漸轉向納米銀線等柔性透明導電材料,它們一般以導電油墨/漿料形式存在,通過涂布、噴涂、印刷等工藝沉積成膜,更適合大面積、柔性電子應用。
三折疊怎么折都有面
2、柔性/可穿戴傳感器
常規傳感器(壓力、溫度、氣體等):多用銀漿或碳基漿料,重點是低阻抗、界面穩定性和環境耐受性,通常不需要透明或柔性,而用于電子皮膚、健康監測貼片的產品需要導電漿料具備柔性甚至透明性,常用柔性銀漿、納米銀線漿料漿料,保證舒適性與隱蔽性。
即使彎曲和拉伸,電路也能在保持高可靠性的同時進行工作的可伸縮電路板,這種電路板有助于增進醫療可穿戴設備的測量精度和可穿戴性。(來源:村田中國)
五、HTCC/LTCC-多層共燒陶瓷基板
多層共燒陶瓷基板,是通過在陶瓷生片上印刷導電漿料、打通孔并填充、層層疊合壓制,最終與陶瓷一同燒結而成的多層互連基板。根據燒結溫度和導體體系的不同,大致可分為高溫共燒陶瓷基板(HTCC)與低溫共燒陶瓷基板(LTCC)。
多層共燒陶瓷基板制備流程
1、高溫共燒陶瓷基板
高溫共燒陶瓷基板(HTCC)以氧化鋁或氮化鋁為基體,在陶瓷生片上印刷鎢(W)、鉬(Mo)導電漿料,并經層壓后在1600–1800℃高溫下一次共燒成型。其特點是氣密性強、機械強度高、耐高溫性能突出,廣泛應用于軍工、航天及高功率電子封裝。
2、低溫共燒陶瓷基板
低溫共燒陶瓷基板(LTCC)則采用玻璃–陶瓷復合材料為基體,在生片上印刷Ag、Ag-Pd或Cu導電漿料,850–950℃下即可共燒固化。由于溫度較低,可同時引入電阻漿料、介質漿料,實現無源器件(電容、電感、濾波器等)的集成,因此更適合射頻通信、5G模塊和小型化電子封裝。
LTCC基板(來源:KOA株式會社)
編輯整理:粉體圈Alpha
作者:Alpha
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