LTCC技術(shù)簡介及其發(fā)展現(xiàn)狀

侯旎璐，汪洋，劉清超

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215011）

LTCC技術(shù)簡介及其發(fā)展現(xiàn)狀

侯旎璐，汪洋，劉清超

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215011）

低溫共燒陶瓷 （LTCC）是一種在低溫條件 （低于1 000℃）下將低電阻率的金屬導(dǎo)體 （如銀、銅等）和陶瓷基體材料共同燒結(jié)而成的多層結(jié)構(gòu)。LTCC技術(shù)最大的特點之一就是其實現(xiàn)了利用不同層來制作3D結(jié)構(gòu)的可能性。隨著技術(shù)的發(fā)展，對電子元器件和組件的性能和功能的要求越來越高，而對于產(chǎn)品的尺寸卻要求其越來越小，LTCC技術(shù)恰好能滿足這兩方面的要求，因而其在微電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。對LTCC的工藝流程、技術(shù)特點、應(yīng)用領(lǐng)域和市場前景進行了介紹，以期對相關(guān)技術(shù)人員更加全面地了解LTCC技術(shù)有所幫助。

低溫共燒陶瓷；工藝流程；技術(shù)特點；應(yīng)用領(lǐng)域

0 引言

在技術(shù)產(chǎn)業(yè)化全球密布的今天，人們對電子產(chǎn)品的小型化、便攜性的要求越來越高，而通訊、汽車和航天航空等行業(yè)對產(chǎn)品性能的多樣性、系統(tǒng)的高可靠性的要求也越來越高。封裝尺寸越來越小、電路組裝密度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求一再提高，這些都讓多芯片、元件和電路的模塊化和高度集成化成為了必然的趨勢和選擇。多芯片模塊化的結(jié)構(gòu)不僅有利于系統(tǒng)的小型化，從而提高整體的組裝密度，而且為系統(tǒng)的高可靠性提供了重要的保障。

目前，集成封裝的技術(shù)主要包括薄膜技術(shù)、硅片半導(dǎo)體技術(shù)、多層電路板技術(shù)和共燒陶瓷技術(shù)，而現(xiàn)代對于多層電路結(jié)構(gòu)的多芯片組件的封裝則主要使用低溫共燒陶瓷 （LTCC：Low Temperature Co-fired Ceramic）和高溫共燒陶瓷 （HTCC：High Temperature Co-fired Ceramic）工藝技術(shù)。

陶瓷技術(shù)最初起源于古代中國[1]，20世紀(jì)60年代開始發(fā)生了重大的轉(zhuǎn)變并得到了飛快的發(fā)展，此時厚膜技術(shù)作為改良的混合封裝技術(shù)被引入到電子工業(yè)的舞臺，后來才有了用于多芯片模塊封裝的LTCC和HTCC技術(shù)[2]。

LTCC技術(shù)被公認為結(jié)合了厚膜技術(shù)和HTCC技術(shù)的優(yōu)點，三者的比較如圖1所示。由于這種技術(shù)相對于其他的封裝技術(shù)在高頻特性、密封性和散熱等性能上充分地展現(xiàn)了其優(yōu)越性，因而其成為了無線電通信、汽車電子和軍事航天等領(lǐng)域的首選封裝技術(shù)。

1 LTCC簡介

LTCC技術(shù)是美國休斯航空器公司于1982年開發(fā)的新型材料技術(shù)，其根據(jù)預(yù)先設(shè)計的結(jié)構(gòu)采用厚膜材料技術(shù)將電極材料、基板和電子器件等部件一次性地?zé)Y(jié)成型?，F(xiàn)代LTCC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、微孔注漿和精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所設(shè)計的電路版圖，并將多個元器件（例如：低容值電容、電阻、濾波器和耦合器等）埋入多層陶瓷基板中，然后疊壓在一起，內(nèi)外電極可選用Ag、Cu和Au等金屬材料，在小于1 000℃的溫度條件下燒結(jié)，最終制成3D的高密度集成電路，也可制成內(nèi)置無源元件的3D電路基板，也可以在其表面貼裝IC和有源器件，制成無源/有源集成的功能模塊。這種方法有利于實現(xiàn)電路的小型化和高密度化，特別適合用于高頻無線通訊領(lǐng)域。

LTCC技術(shù)最早由美國開發(fā)，起初應(yīng)用于航空航天和軍用電子裝備中。早期對LTCC材料進行系統(tǒng)研發(fā)的美國公司有杜邦、電子科學(xué)實驗室（SEL）和厚膜系統(tǒng)公司，隨后福祿 （FERRO）公司也加入了這個行列。后來歐洲的廠商將其引入到車用市場，而后又被日本廠商應(yīng)用于通信產(chǎn)業(yè)中。從當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度來看，LTCC技術(shù)在日本、美國、歐洲和中國臺灣地區(qū)的發(fā)展迅速，并且成熟的LTCC技術(shù)已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)化、系列化的材料選擇設(shè)計化階段。起初，LTCC被認為其技術(shù)本質(zhì)仍然是厚膜技術(shù)，可利用大部分現(xiàn)有的厚膜工藝設(shè)備，原有的厚膜廠可以以較低的資本投入共燒陶瓷技術(shù)領(lǐng)域。但是，隨著其復(fù)雜性越來越高，漸漸地脫離了原來的設(shè)想，因而如何綜合地運用各種成膜技術(shù)便成為了其技術(shù)關(guān)鍵。共燒陶瓷多層基板的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 共燒陶瓷多層基板的典型結(jié)構(gòu)

2 LTCC工藝概述

LTCC工藝流程主要包括混料、流延、沖孔、填孔、絲網(wǎng)印刷、疊片、靜壓、熱切、燒結(jié)和檢測等工序，其流程圖如圖3所示。

圖3 LTCC工藝流程

流延工藝包括配料、排真空和流延3道工序。流延工藝用來生成生瓷帶，其關(guān)鍵問題是需要精準(zhǔn)地控制生磁帶的致密性和厚度的均勻性。材料上通常采用陶瓷、玻璃粉和有機粘合劑并按照一定的比例配方混合，在聚酯膜上經(jīng)過漿化后通過流延工藝形成致密、厚度均勻的生瓷帶。其中，有機粘合劑包括樹脂、增塑劑、潤濕劑和溶劑等有機成分，也是流延的關(guān)鍵材料。

成型后的生瓷帶以卷軸形式供貨，展開后采用切割機、激光或者沖床進行切割。如果采用激光切割，則應(yīng)該注意控制激光的功率以免引起瓷帶的燃燒。有些生瓷帶切割前還需要進行120℃烘烤30 min的預(yù)處理。模塊的層板上通常需要設(shè)計有4種類型的通孔，即：用于低頻信號連接的互連孔、用于大功率元器件散熱的散熱孔、用于兩個地層互連的接地孔和微帶線與帶狀線之間的過渡孔。打孔后進行通孔填充，通孔填充是LTCC工藝制造的關(guān)鍵之一，其方法主要有3種：厚膜印制、絲網(wǎng)印制和導(dǎo)體生片填充。其中，導(dǎo)體生片填充是將厚度略微大于生瓷帶的導(dǎo)體生片沖進通孔以達到金屬化。導(dǎo)體生片采用流延工藝制成，所以可以提高多層基板的可靠性。共燒導(dǎo)電體的印刷可以采用傳統(tǒng)的厚膜絲網(wǎng)印刷和計算機直接描繪，但通常通過這種方法制作出來的線寬較寬。若要求小線寬則可采用薄膜沉積或薄膜光刻工藝。然后，將印制好的導(dǎo)體和形成互連通孔的生瓷片按照設(shè)計的方法依次地疊放，在一定的溫度和壓力下粘接在一起而形成一個完整的多基板胚體[4]。

最后，將切割后的生瓷胚體放入高溫爐中，按照既定的燒結(jié)曲線加熱燒制，一次燒制成型。為了滿足電路的高度集成化和微型化，需要的低溫共燒陶瓷材料除一般的陶瓷材料以外，還要求具有能夠與內(nèi)置導(dǎo)電材料 （Cu、Ag、Au等）在低于其熔點溫度下共同燒結(jié)的材料?，F(xiàn)行的主要方法包括：采用小的原始材料的初始顆粒度來提高燒結(jié)活性，采用化學(xué)方法來降低陶瓷溫度的燒結(jié)方法和添加低熔點玻璃或氧化物。燒結(jié)的一致性是LTCC工藝中最需要解決的問題，在這一個工藝中，不同的界面之間會發(fā)生反應(yīng)和擴散，并且其中的不同介質(zhì)材料在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、致密化速度和熱膨脹系數(shù)等方面都存在差異。這些潛在的因素都可能會導(dǎo)致模塊出現(xiàn)層裂，也可能使微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，降低產(chǎn)品的可靠性。

3 LTCC技術(shù)分析

Si因其優(yōu)越的電學(xué)特性和機械特性，在電子行業(yè)中被廣泛地應(yīng)用于微電子器件和MEMS器件中。但是，硅芯片的生產(chǎn)工藝流程非常地耗時且相對而言比較昂貴。對于相對大規(guī)模結(jié)構(gòu)的混合集成電路來說，LTCC的生瓷材料很好地兼顧了熱學(xué)、機械和電學(xué)特性，同時易以制造，并且成本較低。

LTCC的生瓷材料是一種玻璃-陶瓷的復(fù)合材料。通常，它所填充的陶瓷主要成分是 Al或Al2O3，但也可以是其他的陶瓷系統(tǒng)材料，包括具有高熱傳導(dǎo)性能的BeO、鐵電鈣鈦礦、鐵電尖晶石或光電壓電陶瓷，然后匹配好一定的玻璃粘合劑來降低工藝溫度。Li基體系材料的燒結(jié)溫度一般較低，例如：Li2O-MO-TiO2（M=Zn、Mg、Co等）系、CaO-Li2O-Nb2O5-TiO2（CLNT）系和 Li2ONb2O5-TiO2（LNT）系陶瓷材料，通過添加Bi2O3能夠使體系的燒結(jié)溫度從1 150℃降低到900℃，這種材料擁有低介電損耗率并且能保持良好的微波介電性能。混料步驟里最后還需要添加一定的有機物介質(zhì)來增加生瓷帶的粘度和穩(wěn)固性。這樣制成的生瓷帶的厚度通常在100～400 μm之間，利用切割技術(shù)可以按照既定需要的厚度來制作每層的基體。

LTCC材料存在的最值得研究的問題之一就是共燒的材料匹配性問題，控制不同層和不同界面之間的燒結(jié)和匹配，以擁有良好的致密化速率和一致的熱膨脹速率。因為LTCC陶瓷材料在燒結(jié)的過程中都會收縮，例如：對于DuPont鋁基，LTCC結(jié)構(gòu)在X、Y軸方向會收縮12%，在Z軸方向會收縮15%。當(dāng)然這種收縮的尺寸是均勻統(tǒng)一而且可以預(yù)測的，所以在設(shè)計階段可以補償差額。此外，還有一點非常重要的是可以通過調(diào)節(jié)LTCC材料的組成來匹配混合集成電路模塊的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率。例如： （65%+35%）的3Al2O3·2SiO2和 2MgO2_ Al2O3_5SiO2系統(tǒng)材料就擁有和Si材料匹配的熱膨脹系數(shù)。另一方面也可以采用平面零收縮的LTCC基板制法，主要的方法有以下幾種。

a）自身限制燒結(jié)法 （SCS）

采用抑制平面收縮的LTCC生瓷帶自由燒結(jié)，例如：德國Heraeus公司的HeraLock 2000型生瓷帶，燒結(jié)的平面收縮率可以控制在 （0.16%～0.24%）±0.3%之間，雖然這種方法簡單、便利，但是卻存在材料的局限性，無法與多種不同功能需求的芯片和組件匹配，從而不能滿足多芯片組件的特殊設(shè)計需求。

b）采用輔助燒結(jié)的方法。

這種方法可以通過兩種工藝來實現(xiàn)：1）強制增加壓力來限制不同方向上的收縮，由此可以將這種基板的平面收縮率控制在小于±0.02%的范圍內(nèi)，但對設(shè)備的投資相對比較昂貴；2）不需要更換燒結(jié)裝備，采用專用的犧牲層來固定生瓷模塊，通過犧牲層與LTCC層之間的摩擦力來控制平面的收縮，燒結(jié)后再用物理方法去掉犧牲層，這種工藝無需添加新的設(shè)備，但是需要高要求的材料并且工藝程序相對更加復(fù)雜。

c）采用復(fù)合板共同壓燒法

ESL公司的專利技術(shù)Tranfer Tape，疊片為多層生瓷材料，放在陶瓷或不銹鋼的襯墊板上共同層壓為生瓷體后一同燒結(jié)，LTCC基板與襯墊板燒制成一體，燒結(jié)過程中由于襯墊板的限制作用使其上的LTCC基板在平面方向控制收縮，這種LTCC復(fù)合板具有零收縮、機械強度大且散熱性能好等優(yōu)點，適用于制作大功率的多芯片組件模塊，但是其成本相對較高[5]。

4 LTCC技術(shù)的應(yīng)用

LTCC產(chǎn)品按照其在電路中的作用，大體可分為LTCC元件、LTCC功能器件、LTCC封裝基板和LTCC模塊基板4種。

加熱和冷卻系統(tǒng)通常被用于LTCC模塊上，對傳感器和微電路系統(tǒng)來說溫度及其分布都會直接影響其特性。在LTCC模塊中加熱器通常使用電阻或者螺旋圖形的導(dǎo)體印刷材料，而Pt材料因其具有較高的電阻溫度系數(shù)而常常被用于溫度的測控中。一個用激光器切割的Pt材料的LTCC加熱器如圖4所示。

圖4 一個用激光器切割的Pt/Ag材料的加熱器[6]

LTCC微波元件的應(yīng)用十分廣泛，其常被應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中，例如：各種制式的手機、藍牙模塊、GPS、PDA、數(shù)碼相機、WLAN、汽車電子和光驅(qū)等，LTCC微波器件的應(yīng)用情況如圖5所示。其中，手機的用量占據(jù)主要部分，約達80%以上；手機中使用的LTCC產(chǎn)品包括LC濾波器、雙工器、功能模塊和收發(fā)開關(guān)功能模塊等。目前，隨著技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以將不同的功能芯片、元件和電路組合成多芯片的組件，這種組件形式已經(jīng)朝著高頻化方向飛速地發(fā)展。從全球來看，基于LTCC/LCP技術(shù)的厚薄膜電路技術(shù)已從50 MHz延伸到60 GHz的毫米波頻段。

圖5 LTCC微波器件的應(yīng)用

電子元件的模塊化已成為業(yè)界不爭的事實，其可供選擇的模塊基板有LTCC、HTCC和傳統(tǒng)的PCB（例如：FR4（耐燃材料）和PTFE（高性能聚四氟已烯））等，其中尤其以LTCC為首選方式。HTCC的燒結(jié)溫度在1 500℃以上，與之匹配的難熔金屬 （如W、Mo/Mn等）的導(dǎo)電性能較差，燒結(jié)收縮不如LTCC易以控制；RF4的介電損耗比LTCC的高一個數(shù)量級；PTFE的損耗較低，但絕緣性較差；而LTCC比大多數(shù)的有機基板材料都更易控制精度，可以說，沒有任何一種有機材料可與LTCC基板的高頻性能、尺寸和成本進行綜合的比較。LTCC模塊因其結(jié)構(gòu)緊湊、耐機械沖擊和熱沖擊性強而在軍工、航天設(shè)備和汽車電子上都得到了極大的關(guān)注和廣泛的應(yīng)用。

除此之外，LTCC材料也可以用在光纖技術(shù)和光電封裝上。光電的MEMS封裝和激光準(zhǔn)直也依賴于LTCC的結(jié)構(gòu)。同樣，LTCC技術(shù)應(yīng)用的另一個重要領(lǐng)域是硅片的MEMS封裝。

4 LTCC產(chǎn)業(yè)概況和市場前景

從全球LTCC市場的占有情況來看，LTCC技術(shù)主要掌握在日本、美國和部分歐洲國家手中。市場占有份額排名前六的企業(yè)分別是：日本的Murata、Kyocera、TDK、Taiyo Yuden，美國的CTS公司和歐洲的BOSCH，其中，日本Murata公司的LTCC產(chǎn)品的市場占有率更高達22%。

我國LTCC產(chǎn)業(yè)的起步較晚，技術(shù)發(fā)展緩慢。中國大陸地區(qū)的LTCC產(chǎn)業(yè)鏈主要集中在長三角和珠三角地區(qū)。片式LTCC的生產(chǎn)企業(yè)主要有：麥捷科技、嘉興佳利、順絡(luò)電子和磊德科技。這4家企業(yè)在鐵氧化的LTCC技術(shù)方面均有所建樹，具備一定的貼片電感的生產(chǎn)能力。相關(guān)的國家科研單位有中國電科十三所、四十三所、五十五所和華東光電集成器件研究所等。

全球LTCC的總產(chǎn)值逐年上升，僅僅7年時間，LTCC的全球總產(chǎn)值便從2008年的12億美元上升到了2015年的30億美元。全球LTCC市場如此巨大，但縱觀整個中國，擁有LTCC自主知識產(chǎn)權(quán)的材料體系和器件幾乎空白，很多原材料仍依賴于進口，工藝設(shè)備落后并受限，中國要想在LTCC國際市場上占有一席之地，仍任重而道遠。

5 結(jié)束語

本文主要介紹了LTCC的材料、生產(chǎn)流程、特性、應(yīng)用領(lǐng)域和市場前景。

LTCC技術(shù)之所以能夠在電子產(chǎn)品與制造市場獵取優(yōu)勝主要是因為這種材料具有以下特點和技術(shù)優(yōu)點：

1）擁有良好的電學(xué)特性和機械特性；

2）具有高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性；

3）可以制作出包括腔體、通道等在內(nèi)的3D微觀結(jié)構(gòu)；

4）擁有高等級的集成特性 （傳感器、驅(qū)動器、微流控制、LTCC的電子和光電系統(tǒng)等）；

5）高電壓下仍擁有非常好的特性；

f）高壓特性和高真空度。

除此之外，LTCC制造產(chǎn)業(yè)簡單、快速和廉價，這些都是其占有市場份額的絕對優(yōu)勢。相對于薄膜工藝技術(shù)，LTCC產(chǎn)業(yè)資本投入少、周期短而且盈利高，這讓LTCC技術(shù)同樣也非常適合被應(yīng)用于小型或中型企業(yè)中。

[1]楊邦朝，付賢民，胡永達.低溫共燒陶瓷 （LTCC）技術(shù)新進展 [J].電子元器件與材料，2008，27（6）：1-5.

[2]崔學(xué)民，周濟，沈建紅，等.低溫共燒陶瓷 （LTCC）材料的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀 [J].材料導(dǎo)報，2005，19（4）：1-4.

[3]PALMER E G，NEWTON C M.3-D packaging using lowtemperature co-fired ceramic（LTCC） [J].International Journal of Microcircuits and Electronic Packaging，1993，16（4）：279-284.

[4]何健鋒.LTCC基板制造及控制技術(shù) [J].電子工藝技術(shù)，2005，26（2）：75-81.

[5]童志義.低溫共燒陶瓷技術(shù)現(xiàn)狀和趨勢 [J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2008（11）：1-9.

[6]GOLONKA L J，DIIEDZIC A，KITA J，et al.LTCC in microsystems application[J].Informacije Midem，2002（4）：272-279.

The Brief Introduction to LTCC Technology and Its Development

HOU Nilu，WANG Yang，LIU Qingchao
（CEPREI-EAST，Suzhou 215011，China）

LTCC is a kind of multilayer structure formed by dealing with low resistivity metal conductors（such as Ag，Cu，etc.） and ceramic matrix structure with cofiring process in low temperature（less than 1 000℃）.One of the biggest characteristics of LTCC technology is that it realizes the possibility of using different layers to make 3D structure.With the development of technology，it requires that the performance and functionality of electronic components and assembiles are getting higher and higher，but also requires that their sizes are getting smaller and smaller，and LTCC is perfectly able to meet these two requirements，so it has been widely used in microelectronics field.Therefore， the process flow， technical features， application fields and market prospects of LTCC are introduced，in hope that which can help the relevant staffs to fully understand the LTCC technology.

Low Temperature Co-fired Ceramic（LTCC）；process flow；technical feature；application field

TN305.94；TQ174.75+6

：A

：1672-5468（2017）01-0050-06

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.01.011

2016-06-02

侯旎璐 （1989-），女，湖北武漢人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所工程師，碩士，從事電子元器件的相關(guān)檢測和分析工作。