低溫共燒陶瓷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

周　琪

摘要：低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的令人矚目的電路封裝技術(shù)，已經(jīng)成為無(wú)源集成的主流技術(shù)，成為無(wú)源元件領(lǐng)域的發(fā)展方向和新型電子元器件產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。本文論述了LTCC技術(shù)特點(diǎn)、LTCC材料和器件的研究現(xiàn)狀以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：低溫共燒陶瓷技術(shù)（LTCC）；電路封裝；無(wú)源集成；發(fā)展現(xiàn)狀；趨勢(shì)

1概述

低溫共燒陶瓷技術(shù)（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）是美國(guó)休斯公司于1982年開(kāi)發(fā)的新型電子封裝技術(shù)，該技術(shù)是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生料帶，在生料帶上利用激光打孔、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)無(wú)源元件(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(wú)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(wú)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。

LTCC技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：陶瓷材料具有優(yōu)良的高頻高Q特性，使用頻率可高達(dá)幾十GHz；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；可以制作線(xiàn)寬小于50μm的細(xì)線(xiàn)結(jié)構(gòu)電路；可適應(yīng)大電流及耐高溫特性要求，并具備比普通PCB電路基板更優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性；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)很高的電路基板，并可將多個(gè)無(wú)源元件埋入其中，有利于提高電路的組裝密度；能集成的元件種類(lèi)多、參量范圍大，除電感器/電阻器/電容器外，還可以將敏感元件、EMI抑制元件、電路保護(hù)元件等集成在一起；可以在層數(shù)很高的三維電路基板上，用多種方式鍵連IC和各種有源器件，實(shí)現(xiàn)無(wú)源/有源集成；可靠性高，耐高溫、高濕、沖振，可應(yīng)用于惡劣環(huán)境；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技術(shù)由于自身具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在軍事、航天、航空、電子、計(jì)算機(jī)、汽車(chē)、醫(yī)療等領(lǐng)域均獲得了越來(lái)

越廣泛的應(yīng)用。

2LTCC技術(shù)的材料、設(shè)計(jì)和設(shè)備

LTCC技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，必須兼顧材料、設(shè)計(jì)及工藝設(shè)備三個(gè)方面。

2.1 材料

LTCC產(chǎn)品的性能完全依賴(lài)于所選用材料的性能。目前使用的能夠?qū)崿F(xiàn)低溫?zé)Y(jié)的陶瓷材料主要包括微晶玻璃體系、玻璃+陶瓷復(fù)合體系和非晶玻璃體系。其中微晶玻璃系和玻璃+陶瓷復(fù)合體系是近年來(lái)人們研究的重點(diǎn)，開(kāi)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(wèn)題是高性能(低介電常數(shù)、低介電損耗、高機(jī)械強(qiáng)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(jìn)行摻雜改性以獲得具有性能系列化的材料。

LTCC基板材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題就是LTCC基板材料與異質(zhì)材料共燒匹配性問(wèn)題。一般LTCC材料的收縮率大約為15%～20%，在應(yīng)用于高性能系統(tǒng)時(shí)，必須嚴(yán)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(shí)現(xiàn)基片與布線(xiàn)共燒時(shí)的收縮率及熱膨脹系數(shù)匹配問(wèn)題，也就是解決基板與導(dǎo)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(wèn)題。

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的生料帶，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)LTCC器件的研究所也都在采用這些生料帶。這些生料帶存在兩個(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，這些生料帶開(kāi)發(fā)商并無(wú)實(shí)際使用生料帶進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，比較注重生料帶與銀漿料的匹配性和工藝性能，對(duì)于設(shè)計(jì)對(duì)生料帶的要求的掌握并不詳盡。表1為典型LTCC生料帶性能。

國(guó)內(nèi)目前LTCC材料基本有兩個(gè)來(lái)源，一是購(gòu)買(mǎi)國(guó)外生料帶，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。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、電子科技大學(xué)等單位正在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)LTCC用陶瓷粉料，但尚未達(dá)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(zhuān)業(yè)化的生產(chǎn)系列化LTCC用陶瓷生料帶，為L(zhǎng)TCC器件的開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2.2 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。據(jù)報(bào)道香港青石集成微系統(tǒng)公司(CiMS)采用先進(jìn)的電磁場(chǎng)模擬優(yōu)化軟件設(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)模擬設(shè)計(jì)軟件可對(duì)生料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。

2.3 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。LTCC基板(帶埋置型元件)的工藝流程如下：生料帶→切片→預(yù)處理→沖片→打孔→通孔填充→印制導(dǎo)線(xiàn)→印制電極→印制無(wú)源元件→檢驗(yàn)→疊片→熱壓→排膠→燒結(jié)→LTCC基板。圖1是低溫共燒多層陶瓷基板的工藝流程。

LTCC基板完全有賴(lài)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。國(guó)內(nèi)有軍工單位已經(jīng)或正在引進(jìn)LTCC中試設(shè)備，開(kāi)發(fā)LTCC模塊。LTCC設(shè)備的關(guān)鍵是其精度和自動(dòng)控制程度。

3LTCC應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1在高密度封裝中的應(yīng)用。

LTCC在現(xiàn)代封裝技術(shù)中有很大的用途，目前應(yīng)用領(lǐng)域主要有以下三個(gè)方面：

（1）應(yīng)用于航空、航天及軍事領(lǐng)域，LTCC技術(shù)最先是在航空、航天及軍事電子裝備中得到應(yīng)用的。美國(guó)雷聲公司、西屋公司和霍尼偉爾公司都擁有LTCC 設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，并研制出了多種可用于導(dǎo)彈、航空和宇航等電子裝置的LTCC組件或系統(tǒng)。（2）應(yīng)用于MEMS、驅(qū)動(dòng)器和傳感器等領(lǐng)域，LTCC可以通過(guò)內(nèi)埋置電容、電感等形成三維結(jié)構(gòu)，從而大大縮小電路體積。（3）應(yīng)用在汽車(chē)電子等領(lǐng)域，現(xiàn)代汽車(chē)的控制已邁入電子化和信息時(shí)代，在國(guó)外LTCC技術(shù)已被列為制作汽車(chē)電子電路的重要技術(shù)。

3.2在微波無(wú)源元件中的應(yīng)用。

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(wú)源集成器件、LTCC無(wú)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(wú)源集成功能器件包括片式射頻無(wú)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(xiàn)、延遲線(xiàn)、衰減器，共模扼流圈及其陣列等。利用LTCC技術(shù)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(wú)源集成器件，可以提高器件的集成密度，減小器件體積。

LTCC無(wú)源集成基板主要包括藍(lán)牙模塊基板、手機(jī)前端模塊基板等，再集成其他功能器件，就可得到如藍(lán)牙模塊、手機(jī)前端模塊、天線(xiàn)開(kāi)關(guān)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(diǎn)。藍(lán)牙技術(shù)和模塊的不斷更新，有力地推動(dòng)了LTCC技術(shù)的發(fā)展。

4發(fā)展趨勢(shì)

4.1 LTCC產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化是未來(lái)發(fā)展主要方向。

通訊系統(tǒng)的射頻線(xiàn)路包含許多組件，各家LTCC廠商采用的集成方式也不盡相同。以手機(jī)射頻模塊為例，線(xiàn)路組件主要分成天線(xiàn)傳送/接收開(kāi)關(guān)、SAW濾波器、低噪聲放大器、功率放大器、收發(fā)器及振蕩器等，在LTCC發(fā)展的策略上有的廠商整合天線(xiàn)與低噪聲放大器等成為前端組件FEM，有的廠商則整合天線(xiàn)及功率放大器等成為功率開(kāi)關(guān)組件PSM。由于下游客戶(hù)在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)必須根據(jù)不同的模塊做不同的設(shè)計(jì)，因此非標(biāo)準(zhǔn)化的模塊不但會(huì)增加成本，且在零件采購(gòu)上可能受制于單一LTCC組件廠商。由此可知，LTCC組件市場(chǎng)若要大幅成長(zhǎng)，產(chǎn)品規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化將是廠商間必須盡快協(xié)調(diào)的重要課題。

4.2 LTCC組件將繼續(xù)向模塊小型化及系統(tǒng)高頻化方向發(fā)展。

隨著無(wú)線(xiàn)手持式消費(fèi)產(chǎn)品快速成長(zhǎng)，體積要求繼續(xù)減??；加上無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)工作頻率持續(xù)提升，組件的高頻特性也越重要。LTCC組件模塊的小型化必須通過(guò)增加陶瓷板層數(shù)、減少陶瓷板厚度、通孔成型及線(xiàn)路網(wǎng)版印刷微細(xì)化等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而組件高頻特性除了靠調(diào)制低介電常數(shù)、高Q的陶瓷材料之外，同時(shí)以?xún)?nèi)部線(xiàn)路的設(shè)計(jì)來(lái)降低EMI干擾。未來(lái)LTCC組件的小型化及高頻化必須依賴(lài)于上游材料、工藝技術(shù)及線(xiàn)路設(shè)計(jì)能力之提升來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.3 LTCC無(wú)源器件高密度集成化。

在未來(lái)幾年，LTCC無(wú)源器件的高密度集成將進(jìn)一步快速發(fā)展，由數(shù)百乃至數(shù)千個(gè)無(wú)源器件構(gòu)成的毫米波無(wú)源集成器件，如x波段的128單元的平面天線(xiàn)陣等。細(xì)線(xiàn)技術(shù)也將成為共燒陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)的目標(biāo)是使導(dǎo)電帶的寬度和間距＜25微米。隨著細(xì)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)目標(biāo)將會(huì)達(dá)到。

5結(jié)束語(yǔ)

LTCC技術(shù)最早由美國(guó)開(kāi)始發(fā)展，初期應(yīng)用于軍用產(chǎn)品；后來(lái)陸續(xù)有歐洲廠商將其引入車(chē)用市場(chǎng)；爾后再由日本廠商將該其應(yīng)用于信息產(chǎn)品之中。在全球LTCC市場(chǎng)占有率前9大廠商之中，日本廠商計(jì)有Murata、Kyocera、TDK及Taiyo Yuden；美國(guó)廠商有CTS；歐洲廠商有Bosch、CMAC、Epcos及Sorep-Erulec等。國(guó)外廠商由于投入已久，在產(chǎn)品性能、專(zhuān)利技術(shù)、材料及規(guī)格主動(dòng)權(quán)等方面均比國(guó)內(nèi)廠商具有更有利的地位。我國(guó)LTCC產(chǎn)品技術(shù)的開(kāi)發(fā)比國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家至少落后5～10年，特別在LTCC材料及其配套漿料方面差距更大，加速發(fā)展我國(guó)LTCC技術(shù)將對(duì)我國(guó)的電子工業(yè)振興具有重要意義。

隨著LTCC所用陶瓷和漿料低溫?zé)Y(jié)化的深入研發(fā)，LTCC基板在芯片封裝中的應(yīng)用日漸廣泛，其封裝結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、性能好、可靠性高的特點(diǎn)突顯，技術(shù)研發(fā)和市場(chǎng)需求緊密結(jié)合，已成為微電子產(chǎn)業(yè)兵家必爭(zhēng)之地。LTCC是器件封裝及模塊化的首選，同時(shí)也是發(fā)展毫米波及微波IC與光電子器件的當(dāng)務(wù)之急，低成本國(guó)產(chǎn)化有很大發(fā)展機(jī)遇。