LTCC助推元件集成化?功能模塊研制是重點

     微型化、模塊化和高頻化是元器件研究開發(fā)的重要目標，LTCC技術正是實現(xiàn)這種目標的有力手段。新型LTCC材料系統(tǒng)成功解決了低燒結(jié)溫度、低介電常數(shù)和高機械性能之間的矛盾。積極開發(fā)和推廣低溫共燒陶瓷材料，使其產(chǎn)業(yè)化，并形成一定的材料體系和產(chǎn)業(yè)規(guī)模，是當前信息功能陶瓷領域的重要研究任務之一。 

      隨著現(xiàn)代信息技術的飛速發(fā)展，電子線路的微型化、輕量化、集成化和高頻化對電子元件提出了小尺寸、高頻率、高可靠性和高集成度的要求。片式化、小型化已成為衡量電子元件技術發(fā)展水平的重要標志之一。為了迎合電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，出現(xiàn)了許多新型的組件整合技術，如多芯片組件技術、低溫共燒陶瓷技術（LTCC）和芯片尺寸封裝技術等。其中低溫共燒陶瓷技術以其集成密度高和高頻特性好等優(yōu)異的電學、機械、熱學及工藝特性，成為目前電子元件集成化的主流方式，廣泛應用于電子、通信、航空航天、汽車、計算機和醫(yī)療等領域。

      歐美日廠商占據(jù)主要市場份額

      LTCC技術最早由美國休斯公司開發(fā)，國外最初主要應用于軍事電子領域，其成本相對較高，近年來由于受到汽車電子和通信等行業(yè)的推動，LTCC材料和工藝有了很大改進，成本降低，逐漸向民用方向發(fā)展。 

      過去電子元件技術均由日商執(zhí)牛耳，因此在LTCC工藝的掌握上，仍舊由日商與部分歐美業(yè)者領先。LTCC材料在日本、美國以及歐洲等發(fā)達國家早已進入產(chǎn)業(yè)化和系列化階段，如美國國家半導體、DuPont、村田制作所、松下壽、京瓷等研發(fā)機構(gòu)對LTCC技術已研發(fā)多年，形成了一定的材料體系，生產(chǎn)工藝也較為成熟，他們在專利技術，材料來源及規(guī)格主導權(quán)上均占有主要優(yōu)勢，歐美日廠商基本上占據(jù)了LTCC九成以上的市場。 

      同時在2000年前后，由于看到手機和藍牙等無線通信市場的快速成長，預測到通信產(chǎn)品的小型化必將導入LTCC元件，我國部分臺灣廠商也積極投入到LTCC技術的開發(fā)或者尋求與歐美日等廠商的合作之中。目前可以提供LTCC材料和模塊的臺商主要有國巨、王景德電子和華新科等十余家企業(yè)。 

      相比之下，我國大陸LTCC市場的開發(fā)稍顯遜色，與歐美日等國家相比至少落后5年，這主要是由于大陸電子終端產(chǎn)品的發(fā)展滯后造成的。LTCC功能組件和模塊主要用于GSM、CDMA、PHS（手持電話系統(tǒng)）手機、無繩電話、WLAN（無線局域網(wǎng)）和藍牙等通信產(chǎn)品，除40多兆的無繩電話外，這幾類產(chǎn)品在大陸是近四五年才發(fā)展起來的。目前，深圳南玻電子有限公司已經(jīng)建成了大陸第一條LTCC生產(chǎn)線，開發(fā)出了多種LTCC產(chǎn)品并已投產(chǎn)。而在材料方面，清華大學、電子科技大學、中科院上海硅酸鹽研究所等已開展了大量的研究工作。國內(nèi)LTCC市場的開發(fā)潛力很大，隨著未來電子元件的模塊化以及電子終端產(chǎn)品的過剩，價格成本的競爭必定會更加激烈，國內(nèi)廠家最初采用的原料、設計直接從國外打包進口的做法已經(jīng)難以滿足價格戰(zhàn)的要求，LTCC產(chǎn)品和自主知識產(chǎn)權(quán)的開發(fā)已經(jīng)提上日程，這為國內(nèi)LTCC市場的發(fā)展提供了良好的契機。

      新型LTCC材料系統(tǒng)解決技術難題

      LTCC產(chǎn)品的性能完全依賴于所選用材料的性能。從化學成分上來看，目前使用的、能夠?qū)崿F(xiàn)低溫燒結(jié)的陶瓷材料主要包括微晶玻璃體系、玻璃+陶瓷復合體系和非晶玻璃體系。其中微晶玻璃系和玻璃+陶瓷復合體系是近年來人們研究的重點，開發(fā)出了(Mg，Ca)TiO3系、BaO-TiO2系、ZnO-TiO2系、BaO-Nd2O3-TiO2系、(Zr，Sn)TiO3系、(Ba，Nb)TiO3系以及硼硅酸鹽系等許多LTCC材料體系。 

      低介電常數(shù)LTCC材料目前面臨的主要問題是高性能(低介電常數(shù)、低介電損耗、高機械強度)和低燒結(jié)溫度的矛盾。由于這一矛盾的存在，現(xiàn)有的商用LTCC材料系統(tǒng)均很難進行摻雜改性以獲得具有性能系列化的材料。 

      近年來，清華大學新型陶瓷材料與精細工藝國家重點實驗室實驗室在全新的材料設計思想指導下，發(fā)展出了一種新型LTCC材料系統(tǒng)——— 硅鋁氟氧化物基低溫共燒陶瓷。其設計思路是：通過F離子取代對硅氧四面體的結(jié)構(gòu)調(diào)制，實現(xiàn)了對材料電極化特性的控制和對材料燒結(jié)特性的改性，起到了降低燒結(jié)溫度與降低材料介電常數(shù)及介電損耗的雙重作用，成功地解決了低燒結(jié)溫度、低介電常數(shù)和高機械性能之間的矛盾，發(fā)展出了兼具有優(yōu)異物理性能和工藝特性的新型LTCC材料系統(tǒng)。與現(xiàn)有的商用LTCC材料相比，該材料系統(tǒng)具有更低的燒結(jié)溫度、更低的介電損耗、可實現(xiàn)介電常數(shù)的系列化等優(yōu)點。綜合技術指標優(yōu)于現(xiàn)有商用材料。 

      LTCC基板材料研究的一個熱點問題就是LTCC基板材料與異質(zhì)材料共燒匹配性問題。一般LTCC材料的收縮率大約為15%～20%，在應用于高性能系統(tǒng)時，必須嚴格控制其收縮行為，獲得在X-Y方向零收縮率的材料。LTCC材料共燒匹配性的研究還包括如何實現(xiàn)基片與布線共燒時的收縮率及熱膨脹系數(shù)匹配問題，也就是解決基板與導體漿料之間燒結(jié)收縮率、致密化速度和致密化完成溫度相匹配的問題。

      LTCC在元件集成中應用廣泛 

      隨著移動通信和衛(wèi)星通信的迅速發(fā)展，對器件微型化、高頻化與模塊化的要求越來越迫切，而電子元器件特別是大量使用的以電子陶瓷材料為基礎的各類無源元器件，成為實現(xiàn)整機微型化的主要瓶頸。因此，微型化(包括片式化)、模塊化和高頻化是目前元器件研究開發(fā)的一個重要目標，而LTCC技術以及產(chǎn)品正是實現(xiàn)這種目標的有力手段。 

      LTCC產(chǎn)品在電子元件集成中應用十分廣泛。如各種制式的手機、藍牙模塊、GPS（全球定位系統(tǒng)）、PDA（掌上電腦）、數(shù)碼相機、WLAN、汽車電子、光驅(qū)等。其中在手機中的用量占據(jù)主要部分，約達80%以上；其次是藍牙模塊和WLAN。 

      LTCC器件按其所包含的元件數(shù)量和在電路中的作用，大體可分為高精度片式元件、LTCC無源集成器件、LTCC無源集成基板和LTCC功能模塊。高精度片式元件主要包括高精度片式電感器、電阻器、片式微波電容器等，以及這些元件的陣列。LTCC無源集成功能器件包括片式射頻無源集成組件，如LC濾波器及其陣列、定向耦合器、功分器、功率合成器、天線、延遲線、衰減器，共模扼流圈及其陣列等。利用LTCC技術制成的LC濾波器包括帶通、高通和低通三種，頻率可從數(shù)十MHz到5.8GHz。采用LTCC無源集成器件，可以提高器件的集成密度，減小器件體積。 

      LTCC無源集成基板主要包括藍牙模塊基板、手機前端模塊基板等，再集成其他功能器件，就可得到如藍牙模塊、手機前端模塊、天線開關模塊、功放模塊等LTCC功能模塊。由于電子工業(yè)向高集成化發(fā)展，所以各種LTCC功能模塊的研制已經(jīng)成為人們研究的焦點。藍牙技術和模塊的不斷更新，有力地推動了LTCC技術的發(fā)展。繼村田制作所2004年發(fā)布的9.6mm×9.6mm×1.8mm業(yè)界最小的LAN（局域網(wǎng)）模塊后，2005年京瓷又成功開發(fā)了可嵌入收集使用的無線LAN模塊，尺寸為9.8mm×7.5mm×1.5mm，主要是采用LTCC技術，通過在基板內(nèi)嵌入收發(fā)IC及濾波器等實現(xiàn)了模塊的小型化。 

      LTCC用于集成技術的一個最新趨勢是將燃料電池集成在模塊系統(tǒng)中。由于LTCC技術很容易在其陶瓷結(jié)構(gòu)內(nèi)形成流通道，國外的一些機構(gòu)已研發(fā)出基于LTCC的小型燃料電池。因此人們有可能通過LTCC實現(xiàn)電源/有源/無源元件一體化的模塊。 

      綜上所述，雖然LTCC技術已經(jīng)成為電子元件集成，特別是無源集成的主流技術，但其自身還存在一定的不足亟待改進。如提高熱導率，減少燒結(jié)收縮率等。同時LTCC技術還受到來自其他集成技術的挑戰(zhàn)，如目前正在開發(fā)的可埋入電阻、電容的PCB（印制電路板）技術等。這就要求其在鞏固自身在集成封裝領域地位的同時，還要不斷加強自身的發(fā)展。另外如何解決LTCC材料與異質(zhì)材料的共燒匹配性，尋求更高電性能低溫共燒陶瓷材料等問題也有待解決。 
 

     我國在LTCC技術領域還處于起步階段，尚未形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。從技術角度而言，積極開發(fā)和推廣低溫共燒陶瓷材料，使其產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)權(quán)自主化，并形成一定的材料體系和產(chǎn)業(yè)規(guī)模，應當成為當前信息功能陶瓷領域的重要研究任務之一。另外，隨著環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的要求，又向功能陶瓷特別是LTCC材料提出環(huán)境友好性的要求，這些都為LTCC技術的研究和發(fā)展提供了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。可見，加大在LTCC技術領域投資和科研力度，建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型信息高技術產(chǎn)業(yè)體系，整體提升我國電子集成領域的技術水平和國際競爭力將成為今后一段時期科研工作的主要任務。