LTCC：電子器件模塊化介紹

隨著通信、電腦及其周邊產(chǎn)品和家用電器不斷向高頻化、數(shù)字化方向發(fā)展，對(duì)元器件的小型化、集成化以至模塊化要求愈來(lái)愈迫切。有人曾夸張地預(yù)言，以后的電子工業(yè)將簡(jiǎn)化為裝配工業(yè)———把各種功能模塊組裝在一起即可。LTCC(低溫共燒陶瓷)以其優(yōu)異的電學(xué)、機(jī)械、熱學(xué)及工藝特性，將成為未來(lái)電子器件集成化、模塊化的首選方式，在國(guó)外及我國(guó)臺(tái)灣省發(fā)展迅猛，已初步形成產(chǎn)業(yè)雛形。 LTCC應(yīng)用日漸廣泛 　　利用LTCC制備片式無(wú)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(wú)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L(zhǎng)TCC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。現(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(wú)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(wú)線網(wǎng)卡則從一開(kāi)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(wú)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(guó)外和我國(guó)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(guó)臺(tái)灣省的華信科技、ACX，韓國(guó)的三星等都在批量生產(chǎn)和銷售。我國(guó)內(nèi)地在2003年才從展覽會(huì)和網(wǎng)頁(yè)上看到，南玻電子公司和另一家公司著手開(kāi)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(méi)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(guó)外和我國(guó)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(kāi)關(guān)模塊(簡(jiǎn)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(ài)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(guó)產(chǎn)化成為L(zhǎng)TCC器件發(fā)展契機(jī) 　　國(guó)內(nèi)LTCC器件的開(kāi)發(fā)比國(guó)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(wú)繩電話、WLAN和藍(lán)牙等通信產(chǎn)品，除40多兆的無(wú)繩電話外，這幾類產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)是近5年才發(fā)展起來(lái)的。國(guó)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(guó)外買來(lái)的，甚至方案與元器件打包采購(gòu)，其所購(gòu)方案都選用了國(guó)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(wú)法顧及元器件國(guó)產(chǎn)化。隨著終端產(chǎn)品產(chǎn)能過(guò)剩，價(jià)格和成本競(jìng)爭(zhēng)將日趨激烈，元器件的國(guó)產(chǎn)化必將提上議事日程，這將為國(guó)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(kāi)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(zhǎng)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(wú)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(wú)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(guó)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(guó)內(nèi)開(kāi)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(wèn)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(kāi)發(fā)商并無(wú)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(kāi)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(guó)內(nèi)目前LTCC材料基本有兩個(gè)來(lái)源，一是購(gòu)買國(guó)外生帶，二是器件生產(chǎn)廠從原料開(kāi)發(fā)起。這些都不利于快速、低成本的開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)LTCC用陶瓷粉料，尚未到批量生產(chǎn)的程度。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在亟須開(kāi)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L(zhǎng)TCC器件的開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。南玻電子公司正在用進(jìn)口粉料，開(kāi)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(kāi)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(guò)去的集總參數(shù)電路設(shè)計(jì)的方法是無(wú)法設(shè)計(jì)LTCC器件的。國(guó)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(kāi)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(zhǎng)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(guó)內(nèi)目前尚沒(méi)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(guó)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(kāi)發(fā)軍工用LTCC模塊。

　　LTCC設(shè)備的關(guān)健是其精度和自動(dòng)控制程度。南玻電子每臺(tái)LTCC設(shè)備均是當(dāng)今世界精度最高、全自動(dòng)控制的。