LTCC技術(shù)介紹及應(yīng)用前景

　　低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic LTCC）

　　該技術(shù)是近年發(fā)展起來的令人矚目的整合組件技術(shù)，已經(jīng)成為無源集成的主流技術(shù)，成為無源元件領(lǐng)域的發(fā)展方向和新的元件產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

　　LTCC技術(shù)是于1982年休斯公司開發(fā)的新型材料技術(shù)，是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個(gè)被動(dòng)組件（如低容值電容、電阻、濾波器、阻抗轉(zhuǎn)換器、耦合器等）埋入多層陶瓷基板中，然后疊壓在一起，內(nèi)外電極可分別使用銀、銅、金等金屬，在900℃下燒結(jié)，制成三維空間互不干擾的高密度電路，也可制成內(nèi)置無源元件的三維電路基板，在其表面可以貼裝IC和有源器件，制成無源/有源集成的功能模塊，可進(jìn)一步將電路小型化與高密度化，特別適合用于高頻通訊用組件。

　　利用LTCC制備片式無源集成器件和模塊具有許多優(yōu)點(diǎn)，首先，陶瓷材料具有優(yōu)良的高頻高Q特性；第二，使用電導(dǎo)率高的金屬材料作為導(dǎo)體材料，有利于提高電路系統(tǒng)的品質(zhì)因子；第三，可適應(yīng)大電流及耐高溫特性要求，并具備比普通PCB電路基板優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性；第四，可將無源組件埋入多層電路基板中，有利于提高電路的組裝密度；第五，具有較好的溫度特性，如較小的熱膨脹系數(shù)、較小的介電常數(shù)溫度系數(shù)，可以制作層數(shù)極高的電路基板，可以制作線寬小于50μm的細(xì)線結(jié)構(gòu)。另外，非連續(xù)式的生產(chǎn)工藝允許對(duì)生坯基板進(jìn)行檢查，從而

　　提高成品率，降低生產(chǎn)成本。

　　LTCC器件按其所包含的元件數(shù)量和在電路中的作用，大體可分為LTCC元件、LTCC功能器件、LTCC封裝基板和LTCC模塊基板。

　　LTCC功能器件

　　早期通信產(chǎn)品內(nèi)的濾波器和雙工器多為體積很大的介質(zhì)濾波器和雙工器?，F(xiàn)在GSM和CDMA手機(jī)上的濾波器已被聲表面濾波器取代或埋入模塊基板中，而PHS手機(jī)和無繩電話上的濾波器則大多為體積小、價(jià)格低、由LTCC制成的LC濾波器，藍(lán)牙和無線網(wǎng)卡則從一開始就選用LC濾波器。

　　由LTCC制成的濾波器包括帶通、高通和低通濾波器三種，頻率則從數(shù)十MHz直到5.8GHz。LC濾波器在體積、價(jià)格和溫度穩(wěn)定性等方面有其無可比擬的優(yōu)勢(shì)，其不斷受到廣泛重視就不難理解了。

　　由LTCC制作的上述射頻器件在國外和我國臺(tái)灣省已有數(shù)年的歷史，日本的村田、東光、TDK、雙信電機(jī)，我國臺(tái)灣省的華信科技、ACX，韓國的三星等都在批量生產(chǎn)和銷售。我國內(nèi)地在2003年才從展覽會(huì)和網(wǎng)頁上看到，南玻電子公司和另一家公司著手開發(fā)類似產(chǎn)品。

　　LTCC片式天線

　　WLAN和藍(lán)牙設(shè)備通信距離短，收發(fā)功率小，對(duì)天線的功率和收發(fā)特性要求不高，但對(duì)天線所占PCB的面積及成本要求很嚴(yán)。由LTCC制備的片式天線具有體積小、便于表面貼裝、可靠性高、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于WLAN和藍(lán)牙。

　　LTCC模塊基板

　　電子元件的模塊化已成為業(yè)界不爭(zhēng)的事實(shí)，其中尤其以LTCC為首選方式?？晒┻x擇的模塊基板有LTCC、HTCC(高溫共燒陶瓷)、傳統(tǒng)的PCB如FR4和PTFE(高性能聚四氟已烯)等。HTCC的燒結(jié)溫度在1500℃以上，與之匹配的難熔金屬如鎢、鉬/錳等導(dǎo)電性能較差，燒結(jié)收縮不如LTCC易于控制。LTCC的介電損耗比RF4低一個(gè)數(shù)量級(jí)。PTFE的損耗較低，但絕緣性都較差。LTCC比大多數(shù)有機(jī)基板材料可更好地控制精度。沒有任何有機(jī)材料可與LTCC基板的高頻性能、尺寸和成本進(jìn)行綜合比較。

　　國外和我國臺(tái)灣省對(duì)LTCC模塊基板的研究可謂如火如荼，已經(jīng)有多種LTCC模塊商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。僅生產(chǎn)手機(jī)天線開關(guān)模塊(簡稱ASM)的就有村田、三菱電工、京瓷、TDK、Epcos、日立、Avx等十多家。此外還NEC、村田和愛立信等公司的藍(lán)牙模塊、日立等公司的功放模塊等等，都是由LTCC工藝制成的。

　　LTCC模塊因其結(jié)構(gòu)緊湊、耐機(jī)械沖擊和熱沖擊性強(qiáng)，目前在軍工和航天設(shè)備上受到極大關(guān)注和廣泛應(yīng)用。今后其在汽車電子上的應(yīng)用將會(huì)非常廣泛。

　　國產(chǎn)化成為LTCC器件發(fā)展契機(jī)

　　國內(nèi)LTCC器件的開發(fā)比國外至少落后5年。這主要是由于電子終端產(chǎn)品發(fā)展滯后造成的。

　　LTCC功能器件和模塊主要用于GSM、CDMA和PHS手機(jī)、無繩電話、WLAN和藍(lán)牙等通信產(chǎn)品，除40多兆的無繩電話外，這幾類產(chǎn)品在國內(nèi)是近5年才發(fā)展起來的。國內(nèi)的終端產(chǎn)品為了盡快搶占市場(chǎng)，最初的設(shè)計(jì)方案大都是從國外買來的，甚至方案與元器件打包采購，其所購方案都選用了國外元器件。前幾年終端產(chǎn)品生產(chǎn)廠的主要目標(biāo)是擴(kuò)大市場(chǎng)份額，成本壓力不大，無法顧及元器件國產(chǎn)化。隨著終端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩，價(jià)格和成本競(jìng)爭(zhēng)將日趨激烈，元器件的國產(chǎn)化必將提上議事日程，這將為國內(nèi)LTCC器件的發(fā)展提供良好的市場(chǎng)契機(jī)。

　　LTCC器件的開發(fā)與生產(chǎn)，必須兼顧材料、設(shè)計(jì)及工藝與設(shè)備三個(gè)

　　方面。

　　材料

　　LTCC器件對(duì)材料性能的要求包括電性能、熱機(jī)械性能和工藝性能三方面。

　　介電常數(shù)是LTCC材料最關(guān)健的性能。由于射頻器件的基本單元———諧振器的長度與材料的介電常數(shù)的平方根成反比，當(dāng)器件的工作頻率較低時(shí)(如數(shù)百兆赫茲)，如果用介電常數(shù)低的材料，器件尺寸將大得無法使用。因此，最好能使介電常數(shù)系列化以適用于不同的工作頻率。

　　介電損耗也是射頻器件設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)重要考慮參數(shù)，它直接與器件的損耗相關(guān)。理論上希望越小越好。

　　介電常數(shù)的溫度系數(shù)，這是決定射頻器件電性能的溫度穩(wěn)定性的重要參數(shù)。

　　為了保證LTCC器件的可靠性，在材料選擇時(shí)還必須考慮到許多熱機(jī)械性能。其中最關(guān)健的是熱膨脹系數(shù)，應(yīng)盡可能與其要焊接的電路板相匹配。此外，考慮到加工及以后的應(yīng)用，LTCC材料還應(yīng)滿足許多機(jī)械性能的要求，如彎曲強(qiáng)度σ、硬度Hv、表面平整度、彈性模量E及斷裂韌性KIC等等。

　　工藝性能大體可包括如下方面：第一，能在900℃以下的溫度下燒結(jié)成致密、無氣孔的顯微結(jié)構(gòu)。第二，致密化溫度不能太低，以免阻止銀漿料和生帶中有機(jī)物的排出。第三，加入適當(dāng)有機(jī)材料后可流延成均勻、光滑、有一定強(qiáng)度的生帶。

　　目前，國際上有duPont、Ferro和Heraeus三家提供數(shù)種介電常數(shù)小于10的生帶，國內(nèi)開發(fā)LTCC器件的研究所也都在采用這些生帶。這些生帶存在兩個(gè)問題：首先，介電常數(shù)未系列化，不利于設(shè)計(jì)不同工作頻率的器件。第二，這些生帶開發(fā)商并無實(shí)際使用生帶進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，比較注重生帶與銀漿料的匹配性和工藝性能，對(duì)于設(shè)計(jì)對(duì)生帶的要求的掌握并不詳盡。Heraeus目前似乎更著重

　　于銀漿和介電粉料的開發(fā)，似有退出生帶生產(chǎn)之勢(shì)，不知是否代表一種趨勢(shì)。

　　國內(nèi)目前LTCC材料基本有兩個(gè)來源，一是購買國外生帶，二是器件生產(chǎn)廠從原料開發(fā)起。這些都不利于快速、低成本的開發(fā)出LTCC器件。因?yàn)?，第一種方式會(huì)增加生產(chǎn)成本，第二種方式會(huì)延緩器件的開發(fā)時(shí)間。目前清華大學(xué)材料系、上海硅酸鹽研究所等單位正在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)LTCC用陶瓷粉料，尚未到批量生產(chǎn)的程度。國內(nèi)現(xiàn)在亟須開發(fā)出系列化的、最好有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LTCC用陶瓷粉料，專業(yè)化的生產(chǎn)系列化LTCC用陶瓷生帶，為LTCC器件的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。南玻電子公司正在用進(jìn)口粉料，開發(fā)出介電常數(shù)為9.1、18.0和37.4的三種生帶，厚度從10μm到100μm，生帶厚度系列化，介電常數(shù)半系列化，為不同設(shè)計(jì)、不同工作頻率的器件開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

　　設(shè)計(jì)

　　LTCC器件的設(shè)計(jì)包括電性設(shè)計(jì)、應(yīng)力設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)等諸多方面，其中以電性設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵。由于LTCC器件中包括多個(gè)等效分立元件，互相間耦合非常復(fù)雜，工作頻率往往較高，更多的是采用電磁場(chǎng)而不是電路的概念。用過去的集總參數(shù)電路設(shè)計(jì)的方法是無法設(shè)計(jì)LTCC器件的。國內(nèi)尚未看到有關(guān)LTCC器件電性設(shè)計(jì)的報(bào)道，這大概是制約LTCC器件開發(fā)的另一個(gè)重要因素。香港青石集成微系統(tǒng)公司(CiMS)長期從事微波電磁場(chǎng)的研究與LTCC器件的設(shè)計(jì)，頗有造詣。CiMS采用先

　　進(jìn)的電磁場(chǎng)模擬優(yōu)化軟件為南玻電子設(shè)計(jì)了多款LC濾波器和模塊，取得了良好的效果。

　　由電磁場(chǎng)模似設(shè)計(jì)軟件可對(duì)生帶和銀電極的頻率響應(yīng)、損耗等進(jìn)行定量分析，從而指導(dǎo)實(shí)際研發(fā)，縮短研發(fā)周期和成本。

　　工藝設(shè)備

　　LTCC器件的顯著優(yōu)點(diǎn)之一是其一致性好、精度高。而這完全有賴于所用材料的穩(wěn)定性和工藝設(shè)備的精度。國內(nèi)目前尚沒有生產(chǎn)廠可制造與LTCC有關(guān)的成型設(shè)備。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)南玻電子引進(jìn)了一條完整的LTCC生產(chǎn)線，另外約有4家研究所已經(jīng)或正在引進(jìn)LTCC中試設(shè)備，開發(fā)軍工用LTCC模塊。

　　LTCC是今后發(fā)展趨勢(shì)

　　LTCC是今后元件制造工藝的一個(gè)趨勢(shì)，集成的趨勢(shì)非常明顯。據(jù)業(yè)內(nèi)專家介紹，與其他集成技術(shù)相比，LTCC具有以下特點(diǎn)：根據(jù)配料的不同，LTCC材料的介電常數(shù)可以在很大范圍內(nèi)變動(dòng)，增加了電路設(shè)計(jì)的靈活性；陶瓷材料具有優(yōu)良的高頻、高Q特性和高速傳輸特性；使用高電導(dǎo)率的金屬材料作為導(dǎo)體材料，有利于提高電路系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)；制作層數(shù)很高的電路基板，減少連接芯片導(dǎo)體的長度與接點(diǎn)數(shù)，并可制作線寬小于50μm的細(xì)線結(jié)構(gòu)電路，實(shí)現(xiàn)更多布線層數(shù)，能集成的元件種類多，參量范圍大，易于實(shí)現(xiàn)多功能化和提高組裝密度；可適應(yīng)大電流及耐高溫特性要求，具有良好的溫度特性；與薄膜多層布線技術(shù)具有良好的兼容性，二者結(jié)合可實(shí)現(xiàn)更高組裝密度和更好性能的混合多層基板和混合型多芯片組件；易于實(shí)現(xiàn)多層布線與封裝一體化結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減小體積和重量，提高可靠性、耐高溫、高濕，可以應(yīng)用于惡劣環(huán)境；采用非連續(xù)式的生產(chǎn)工藝，便于基板燒成前對(duì)每一層布線和互連通孔進(jìn)行質(zhì)量檢查，有利于提高多層基板的成品率和質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，降低成本。

　　深圳南玻電子有限公司研發(fā)部經(jīng)理武雋在接受中國電子報(bào)記者采訪時(shí)表示，業(yè)內(nèi)專家此前預(yù)測(cè)LTCC發(fā)展的趨勢(shì)目前都已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)：首先是綠色化。電鍍液、原材料領(lǐng)域都已采用綠色生產(chǎn)。其次是集成化。元件的集成比較普遍，模塊化集成還沒有規(guī)模化。最后是多功能化。現(xiàn)在國外已經(jīng)研制出把不同功能的整合在一個(gè)器件里的產(chǎn)品。由此看來未來幾年LTCC還將越來越熱，以便給業(yè)界帶來一個(gè)又一個(gè)有關(guān)LTCC的驚喜。

　　原材料問題亟待解決

　　中國電子學(xué)會(huì)元件分會(huì)秘書長陳福厚表示，國內(nèi)LTCC行業(yè)面臨的問題主要是原材料的問題。目前原材料的來源主要有三種方式：其一，直接從國外進(jìn)口生帶；其二，買磁粉，自己做生帶；其三，自己研制磁粉。這三種方式中，第一種成本最高，第三種最慢。

　　國內(nèi)做得比較好的深圳南玻電子有限公司的做法很值得借鑒，他們采用第二種方式，所生產(chǎn)出的生帶性能、質(zhì)量都很不錯(cuò)，完全能夠滿足元器件及模塊設(shè)計(jì)的要求。

　　武雋認(rèn)為，國內(nèi)LTCC產(chǎn)業(yè)的上游，也就是原材料的研究不能停留在能做出樣品、發(fā)表論文上，最終要落實(shí)到產(chǎn)業(yè)化上。他說，國內(nèi)研發(fā)力量參差不齊，一致性方面特別是質(zhì)量控制方面和國外企業(yè)相比還有差距，這是特別需要注意的問題。他強(qiáng)調(diào)，材料的一致性、可靠性及環(huán)保性，要全部達(dá)到要求，才能促進(jìn)國內(nèi)LTCC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，否則缺了其中一環(huán)，是做不成的。目前，他們正在和國內(nèi)高校和研究所合作研究材料，但現(xiàn)在還沒有產(chǎn)業(yè)化。

　　EMI/EMC是破局點(diǎn)

　　在LTCC領(lǐng)域，國內(nèi)起步晚了一些，在技術(shù)的爬升階段跟進(jìn)得也慢了一些，導(dǎo)致現(xiàn)在與國外的差距越來越大，但也還是有機(jī)會(huì)的，因?yàn)槭袌?chǎng)容量在不斷增長，如藍(lán)牙的出貨量及無繩電話、手機(jī)產(chǎn)業(yè)同步增長，而WiFi、WLAN等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一旦成熟，勢(shì)必會(huì)牽引出許多新的電子產(chǎn)品，因此采用LTCC工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品市場(chǎng)機(jī)會(huì)是相當(dāng)大的。

　　陳福厚表示，采用LTCC工藝生產(chǎn)的元器件在手機(jī)板、交換機(jī)、電腦、便攜式電子產(chǎn)品及DC-DC電源領(lǐng)域有廣闊的前景，只要國內(nèi)企業(yè)找到市場(chǎng)需要的產(chǎn)品，就一定會(huì)有錢賺。

　　武雋告訴記者，EMI/EMC(抗電磁干擾)元件將是LTCC破局的著落點(diǎn)，它將催生出一個(gè)僅次于電子元件的器件市場(chǎng)。他解釋說，我們每天生活的電磁波中，電磁干擾是個(gè)很嚴(yán)重的問題，因此電子產(chǎn)品的抗電磁干擾顯得尤為重要。EMI/EMC元件不僅用在傳統(tǒng)的家電，通信及便攜電子產(chǎn)品也要用到，而由此催生出的巨大市場(chǎng)將是數(shù)以億計(jì)的，目前，南玻已經(jīng)研制出共模扼流圈。此外，LTCC在藍(lán)牙技術(shù)上的應(yīng)用也不容小覷，如近一兩年面世的平衡濾波器，是一個(gè)很經(jīng)典的器件，它的出現(xiàn)大大方便了藍(lán)牙產(chǎn)品貼裝，節(jié)省了面積，簡化了采購。