低溫共燒陶瓷LTCC產(chǎn)業(yè),特點,發(fā)展

1、低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-f ired Ceramic LTCC技術是近年發(fā)展起來的令人矚目的整合組件技術,已經(jīng)成為無源元件領域的發(fā)展方向和新的元件產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟增長LTCC是今后發(fā)展趨勢LTCC是今后元件制造工藝的一個趨勢,集成的趨勢非常明顯。據(jù)業(yè)內(nèi)專家介紹,與其他集成技術相比,L TCC具有以下特點: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,增加了電路設計的靈活性;陶瓷材料具有優(yōu)良的高頻、高Q特性和高速傳輸特性;使用高電導率的金屬材料作為導體材料,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,減少連接芯片導體的長度與接點數(shù),并可制作線寬小于5

2、0m的細線結構電路,實現(xiàn)更多布線層數(shù),能集成的元件種類多,參量范圍大,易于實現(xiàn)多功能化和提高組裝密度;可適應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具有良好的兼容性,二者結合可實現(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;易于實現(xiàn)多層布線與封裝一體化結構,進一步減小體積和重量,提高可靠性、耐高溫、高濕,可以應用于惡劣環(huán)境;采用非連續(xù)式的生產(chǎn)工藝,便于基板燒成前對每一層布線和互連通孔進行質(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記者采訪時表示,業(yè)內(nèi)專家此前預測LTCC發(fā)展的趨勢目前都已

3、經(jīng)成為現(xiàn)實:首先是綠色化。電鍍液、原材料領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)?；?。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)界帶來一個又一個有關LTCC的驚喜。原材料問題亟待解決中國電子學會元件分會秘書長陳福厚表示,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)

4、出的生帶性能、質(zhì)量都很不錯,完全能夠滿足元器件及模塊設計的要求。武雋認為,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。他強調(diào),材料的一致性、可靠性及環(huán)保性,要全部達到要求,才能促進國內(nèi)L TCC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是破局點在LTCC領域,國內(nèi)起步晚了一些,在技術的爬升階段跟進得也慢了一些,導致現(xiàn)在與國外的差距越來越大,但也還是有機會的,因

5、為市場容量在不斷增長,如藍牙的出貨量及無繩電話、手機產(chǎn)業(yè)同步增長,而WiFi、WLAN等技術標準一旦成熟,勢必會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)品市場機會是相當大的。陳福厚表示,采用LTCC工藝生產(chǎn)的元器件在手機板、交換機、電腦、便攜式電子產(chǎn)品及DC-DC電源領域有廣闊的前景,只要國內(nèi)企業(yè)找到市場需要的產(chǎn)品,就一定會有錢賺。武雋告訴記者,EMI/EMC(抗電磁干擾元件將是LTCC破局的著落點,它將催生出一個僅次于電子元件的器件市場。他解釋說,我們每天生活的電磁波中,電磁干擾是個很嚴重的問題,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

6、攜電子產(chǎn)品也要用到,而由此催生出的巨大市場將是數(shù)以億計的,目前,南玻已經(jīng)研制出共模扼流圈。此外,LTCC在藍牙技術上的應用也不容小覷,如近一兩年面世的平衡濾波器,是一個很經(jīng)典的器件,它的出現(xiàn)大大方便了藍牙產(chǎn)品貼裝,節(jié)省了面積,簡化了采購。LTCC:元件集成化模組化首選清華大學新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室王悅輝楊正文王婷沈建紅周濟隨著電子整機在小型化、便攜式、多功能、數(shù)字化及高可靠性、高性能方面的需求,對元器件的小型化、集成化以至模塊化要求愈來愈迫切。低溫共燒陶瓷技術(low temperature cof i red ceramic,LTCC是近年來興起的一種令人矚目的多學科交叉的整合組件

7、技術。LTCC以其優(yōu)異的電子、機械、熱力特性已成為未來電子元件集成化、模組化的首選方式,廣泛用于基板、封裝及微波器件等領域。LTCC呈快速發(fā)展態(tài)勢TEK的調(diào)查資料顯示,2004年2007年間全球L TCC市場產(chǎn)值呈現(xiàn)快速成長趨勢。L TCC技術最早由美國開始發(fā)展,初期應用于軍用產(chǎn)品,后來歐洲廠商將其引入車用市場,而后再由日本廠商將其應用于資訊產(chǎn)品中。目前,LTCC材料在日本、美國等發(fā)達國家已進入產(chǎn)業(yè)化、系列化和可進行材料設計的階段。在全球LTCC市場前九大廠商之中,日本廠商有Murata、Kyocera、TDK和Taiyo Y uden;美國廠商有CTS,歐洲廠商有Bosch、CMAC、Epc

8、os及Sorep-Erulec等。國外廠商由于投入已久,在產(chǎn)品質(zhì)量、專利技術、材料掌控及規(guī)格主導權等均占有領先優(yōu)勢。國內(nèi)LTCC產(chǎn)品的開發(fā)比國外發(fā)達國家至少落后5年,擁有自主知識產(chǎn)權的材料體系和器件幾乎是空白。隨著未來LTCC 制品市場中運用LTCC制作的組件數(shù)目逐漸被L TCC模塊與基板所取代,終端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩,價格和成本競爭日趨激烈,元器件的國產(chǎn)化必將提上議事日程,這為國內(nèi)LTCC產(chǎn)品的發(fā)展提供了良好的市場契機。中國在LTCC市場占據(jù)一定份額的是疊層式電感器和電容器生磁帶。目前,清華大學材料系、上海硅酸鹽研究所等單位正在實驗室開發(fā)LTCC用陶瓷粉料,但還尚未到批量生產(chǎn)的程度。南玻電子公司正

9、在用進口粉料,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10m到100m,生帶厚度系列化,為不同設計、不同工作頻率的L TCC產(chǎn)品的開發(fā)奠定了基礎。國內(nèi)現(xiàn)在急需開發(fā)出系列化的、擁有自主知識產(chǎn)權的LTCC瓷粉料,并專業(yè)化生產(chǎn)LTCC用陶瓷生帶系列,為L TCC產(chǎn)業(yè)的開發(fā)奠定基礎。LTCC器件應用廣泛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、L TCC功能器件、L TCC封裝基板和LTCC 模塊基板。LTCC屬于高新科技的前沿產(chǎn)品,廣泛應用于微電子工業(yè)的各個領域,具有十分廣闊的應用市場和發(fā)展前景。目前L TCC技術已經(jīng)進入更新的應用階段,包括無線局

10、域網(wǎng)絡、地面數(shù)字廣播、全球定位系統(tǒng)接收器組件、數(shù)字信號處理器和記憶體等及其他電源供應組件甚至是數(shù)位電路組件基板。例如,村田、三菱電工、京瓷、TDK、Epcos、日立、A vx等十多家開發(fā)的手機無線開關組件,NEC、村田等開發(fā)的藍牙組件都是由LTCC技術制成的。此外,LTCC組件因其結構緊湊,高耐熱和耐沖擊性,目前在軍工和航天設備中廣泛應用,預計未來在汽車電子系統(tǒng)上的應用也會非常普遍。CTS公司已經(jīng)宣布將為汽車電子市場提供低溫燒結陶瓷(LTCC電路板?，F(xiàn)在GSM和CDMA手機上的濾波器已被聲表面濾波器取代或埋入模塊基板中,而PH S手機和無繩電話上的濾波器則大多為體積小、價格低、由L TCC制成

11、的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)10MHz 直到5.8GHz。NTT未來網(wǎng)絡研究開發(fā)出天線一體型60GHz頻帶LTCC發(fā)送模塊,其特點是將天線嵌入到LTCC底板中。模塊在外形尺寸為12mm×12mm×1.2mm的LTCC底板中集成了帶反射鏡的天線、功率放大器(PA、帶通濾波器(BPF和電壓控制振蕩器(VCO等元件。布線層由0.1mm×6層和0.05mm×12層組成。從L TCC的介電常數(shù)來說,在r=7.7和10GHz條件下tan=0.002。日本村田制作所及日立公司開發(fā)的射頻前端分頻器開關組件,已經(jīng)成為GSM

12、900MHz/1800MHz雙頻手機中不可缺少的關鍵組件。藍牙帶動LTCC發(fā)展藍牙技術將會推動多層低溫共燒器件及IC有源器件混合集成技術的又一次飛躍。NEC和日本A vionics兩家公司共同開發(fā)成功世界上最小的藍牙收發(fā)模塊。該產(chǎn)品應用了電容器以及電感線圈元件形成的內(nèi)層濾波器等高頻電路設計技術。通過裸露芯片、CSP、0603型芯片等形成最小元件的高密度封裝,使之成為包括封裝在內(nèi)的世界同類產(chǎn)品中體積最小的模塊,重量為0.7g,可用于手機及其他便攜式設備。另外,獨立無源器件需求的持續(xù)增長也將推動LTCC技術的應用。而市場發(fā)展方向?qū)⑹菬o源器件集成到可用于表面貼裝的LTCC器件中。L TCC材料為MC

13、M-C開辟了全新的領域。在高頻領域,許多以前采用MCM-D的公司已經(jīng)紛紛開始采用LTCC材料及工藝制造MCM組件,以滿足日益復雜的性能要求和低成本、高可靠性的要求。如愛立信公司研制的“藍牙”中的射頻通信MCM組件電路,其天線濾波及發(fā)射接收組件,均使用美國DuPont公司的L TCC材料及工藝,愛立信采用L TCC基板縮小封裝面積60%。LTCC功能組件和模塊主要用于GSM、CDMA和PH S手機、無繩電話、WLAN和藍牙等通信產(chǎn)品,除40多兆的無繩電話外,這幾類產(chǎn)品在國內(nèi)是近四年才發(fā)展起來的。深圳南玻電子有限公司引進了目前世界上最先進的設備,建成了國內(nèi)第一條LTCC 生產(chǎn)線,開發(fā)出了多種LTC

14、C產(chǎn)品并已投產(chǎn),如片式LC濾波器系列、片式藍牙天線、片式定向耦合器、片式平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器、低通濾波器陣列等,性能已達到國外同類產(chǎn)品水平,并已進入市場。目前,南玻電子正在開發(fā)LTCC多層基板和無線傳輸用的多種功能模塊。集成混合電路設計主要包括電子科技大學、原電子部設計所為主,生產(chǎn)企業(yè)包括南虹公司、風華高科、三九胃泰和迅達電子有限公司,均引進美國AEM公司生產(chǎn)線或TDK生產(chǎn)線,近三年的生產(chǎn)量在10億只/年,產(chǎn)值20億元/年。相關鏈接LTCC的技術特點LTCC技術是于1982年休斯公司開發(fā)的新型材料技術,是將低溫燒結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、精密導體漿料

15、印刷等工藝制出所需要的電路圖形,并將多個被動組件(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,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,可進一步將電路小型化與高密度化,特別適合用于高頻通信用組件。采用LTCC工藝制作的基板具有可實現(xiàn)IC芯片封裝、內(nèi)埋置無源元件及高密度電路組裝的功能。LTCC技術由于自身具有的獨特優(yōu)點,在軍事、航天、航空、電子、計算機、汽車、醫(yī)療等領域均獲得了越來越廣泛的應用。共燒材料匹配:LTCC

16、研發(fā)關注點LTCC產(chǎn)品性能好壞完全依賴所用材料的性能。LTCC陶瓷材料主要包括,LTCC基板材料、封裝材料和微波器件材料。介電常數(shù)是LTCC材料關鍵指標介電常數(shù)是LTCC材料最關健的性能。要求介電常數(shù)在220000范圍內(nèi)系列化以適用于不同的工作頻率。例如相對介電常數(shù)為3.8的基板適用于高速數(shù)字電路的設計;相對介電常數(shù)為680的基板可很好地完成高頻線路的設計;相對介電常數(shù)高達20000的基板,則可以使高容性器件集成到多層結構中。高頻化是數(shù)字3C產(chǎn)品發(fā)展必然的趨勢,發(fā)展低介電常數(shù)(10的LTCC 材料以滿足高頻和高速的要求是LTCC材料如何適應高頻應用的一個挑戰(zhàn)。FerroA6和DuPont的90

17、1系統(tǒng)介電常數(shù)為5.25.9, ESL公司的4110-70C為4.34.7,NEC公司L TCC基板介電常數(shù)為3.9左右,介電常數(shù)低達2.5的正在開發(fā)。諧振器的尺寸大小與介電常數(shù)的平方根成反比,因此作為介質(zhì)材料時,要求介電常數(shù)要大,以減小器件尺寸。目前,超低損耗的極限或超高Q值、相對介電常數(shù)(>100乃至>150的介質(zhì)材料是研究的熱點。需要較大電容量的電路,可以采用高介電常數(shù)的材料,也可在LTCC介質(zhì)陶瓷基板材料層中夾入有較大介電常數(shù)的介質(zhì)材料層,其介電常數(shù)可在20100之間選擇。介電損耗也是射頻器件設計時一個重要考慮參數(shù),它直接與器件的損耗相關,理論上希望越小越好。目前,生產(chǎn)用于

18、射頻器件的LTCC 材料主要有DuPont(951,943,Ferro(A6M,A6S,Heraeus(CT700,CT800和CT2000和Electro-science Laboratori es。他們不僅可以提供介電常數(shù)系列化的LTCC生瓷帶,而且也提供與其相匹配的布線材料。熱機械性能影響LTCC可靠性材料的許多熱機械性能也是影響LTCC器件可靠性的一個主要因素,其中最關健的是熱膨脹系數(shù),應盡可能與其要焊接的電路板相匹配。LTCC、氧化鋁和其他陶瓷材料的TCE接近Si、砷化鎵及磷化銦的TCE值,從而可以減小機械應力,應用在大尺寸的晶片上不需要使用有機疊層。同時,減小熱不匹配性可以增強機械

19、的整體性,降低溫度特性的變化,以及增加數(shù)位、光學和電子技術的集成能力。諧振頻率的溫度系數(shù)(f盡可能的小,大約在10-6數(shù)量級,最好為零。此外,考慮到加工及以后的應用,LTCC材料還應滿足許多機械性能的要求,如彎曲強度、硬度Hv、表面平整度、彈性模量E及斷裂韌性KIC等等。目前,LTCC陶瓷材料主要是兩個體系,即“微晶玻璃”系和“玻璃+陶瓷”系。采用低熔點氧化物或低熔點玻璃的摻雜可以降低陶瓷材料的燒結溫度,但是降低燒結溫度有限,而且不同程度地會損壞材料性能,尋找自身具有燒結溫度低的陶瓷材料引起研究人員的重視。此類材料,正在開發(fā)的主要品種為硼酸錫鋇(BaSn(BO32系和鍺酸鹽和碲酸鹽系、BiNbO4系、Bi203-ZnO-Nb205系、ZnO-TiO2系等陶瓷材料。近年來,清華大學周濟課題組一直致力于這方面的研究。共燒材料的匹配是熱點Cu、Ni、Ag LTCC材料研究中的另一個熱點問題就