低溫共燒多層陶瓷(LTCC)技術(shù)特點與應用

1、單芯片模塊技術(shù)尚未實用化之前，被動元件在成本及特性的因素下，無法完全整合于IC內(nèi)，必須利用外接的方式來達到功能模塊，但是因為在功能模塊上所使用的被動元件數(shù)目相當多，容易造成可靠度低、高生產(chǎn)成本及基板面積不易縮小等缺點，所以利用低溫共燒多層陶瓷（Low-Temperature Co-fired Ceramics；LTCC）技術(shù)來克服上述的缺點。低溫共燒陶瓷以其優(yōu)異的電子、機械、熱力特性，已成為未來電子元件積集化、模塊化的首選方式，在全球發(fā)展迅速，目前已初步形成產(chǎn)業(yè)雛形。低溫共燒陶瓷技術(shù)成被動元件顯學低溫共燒多層陶瓷技術(shù)提供了高度的主動元件或模塊及被動元件的整合能力，并能到模塊縮小化及低成本的要求

2、，可以堆疊數(shù)個厚度只有幾微米的陶瓷基板，并且嵌入被動元件以及其它IC，所以近年來LTCC是被動元件產(chǎn)業(yè)極力開發(fā)的技術(shù)。低溫共燒多層陶瓷技術(shù)是利用陶瓷材料作為基板，將低容值電容、電阻、耦合等被動元件埋入多層陶瓷基板中，并采用金、銀、銅等貴金屬等低阻抗金屬共燒作為電極，再使用平行印刷來涂布電路，最后在攝氏850-900度中燒結(jié)而形成整合式陶瓷元件。除了芯片、石英震蕩器、快閃存儲器以及大電容和大電阻之外，大多數(shù)的被動元件及天線都能采用低溫共燒多層陶瓷（LTCC）技術(shù)來將元件埋入基板，容易的地將被動元件與電路配線集中于基板內(nèi)層，而達到節(jié)省空間、降低成本的SoP（System on Package）目標

3、，開發(fā)出輕、薄、短、小及低成本的模塊。圖2：利用多層多成分陶瓷的共燒而實現(xiàn)被動元件集成電子元件的模塊化已成為產(chǎn)品必然的趨勢，尤其以LTCC技術(shù)生產(chǎn)更是目前各業(yè)者積極開發(fā)的方向。目前可供選擇的模塊基板包括了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。不過由于HTCC的燒結(jié)溫度需在1500以上，而所采用的高熔金屬如鎢、鉬、錳等導電性能較差，所以燒結(jié)收縮并不如LTCC易于控制，但是，HTCC也不是全無優(yōu)點，表1、表2為高溫共燒陶瓷多層基板的一些優(yōu)點。HTCC是一種成熟技術(shù)，產(chǎn)業(yè)界已對材料和技術(shù)已有相當?shù)牧私?。并且，氧化鋁的機械強度比LTCC介質(zhì)材料的機械

4、強度高得多，可使封裝較牢固和更持久。此外，氧化鋁的熱導率比LTCC介質(zhì)材料的熱導率幾乎要高20倍。在介電損耗方面，RF4要比LTCC來的高，而雖然PTFE的損耗較低，但絕緣性卻不如LTCC。所以LTCC比大多數(shù)有機基板材料提供了更好地控制能力，在高頻性能、尺寸和成本方面，比較之下LTCC比其它基板更為出色。利用LTCC技術(shù)開發(fā)的被動元件和模塊具有許多優(yōu)點，包括了，陶瓷材料具有高頻、高Q特性；LTCC技術(shù)使用電導率高的金屬材料作為導體材料，有利于提高電路系統(tǒng)的質(zhì)量；可適應大電流及耐高溫特性要求，并具備比普通PCB電路基板優(yōu)良的熱傳導性；可將被動元件嵌入多層電路基板中，有利于提高電路的組裝密度；具

5、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50m的細線結(jié)構(gòu)。LTCC封裝業(yè)者對于線寬的發(fā)展也相當?shù)姆e極，例如，日本KOA利用噴墨技術(shù)將含有銀的材料將圖案印刷到綠色薄片上，然后進行燒結(jié)來以達到20m的線和線距。所以包括日本、美國等大廠，例如Kyocera、Soshin、TDK、Dupont、CTS、NS等業(yè)者對于LTCC（多層低溫共燒陶瓷）的開發(fā)都相當積極，另外也有部份業(yè)者建構(gòu)LTCC的繞線布局設(shè)計軟件及資料庫，相信未來低溫共燒多層陶瓷（LTCC）技術(shù)將會是甚被期待的被動元件技術(shù)之一。材料的選用關(guān)系著LTCC的優(yōu)劣高頻化是數(shù)碼3C產(chǎn)

6、品發(fā)展的必然趨勢。就像目前第三代移動通信系統(tǒng)的頻率高達2GHz左右。這對于對陶瓷材料來說，如何適應高工作頻率是一個嚴苛的挑戰(zhàn)。因此，陶瓷材料必須提供良好高頻特性以及工作頻率的功能，所以微波介質(zhì)陶瓷材料及新型微波元件是積極被開發(fā)的課題。例如開發(fā)適合應用于微波應用的低損耗、溫度穩(wěn)定的電介質(zhì)陶瓷材料，可以被應用在微波諧振器、濾波器、微波電容器以及微波基板等等。所以求高介電常數(shù)、高質(zhì)量、低頻率溫度系數(shù)是目前微波介質(zhì)陶瓷材料研究的重點。介電常數(shù)是LTCC材料最關(guān)鍵的性能。目前，LTCC技術(shù)最常被應用于手機的射頻系統(tǒng)上，而諧振器的長度與材料的介電常數(shù)的平方根是成反比，所以當元件的工作頻率較低時，如果使用低

7、介電常數(shù)的材料，那么諧振器的長度就長得無法接受。介電損耗也是射頻元件設(shè)計時一個重要參數(shù)，直接與元件的損耗相關(guān)，所以當然期望材料介電損耗能越小越好。日本積極發(fā)展不同介電常數(shù)材料堆疊在生產(chǎn)的技術(shù)上，目前，大部分在基板上都是堆疊相同介電常數(shù)的基板。但是已經(jīng)開始有業(yè)者嘗試著將不同的材料或者將磁性材料堆疊在一起，也就是意味著，將不同介電常數(shù)的基板堆疊在一起。例如，在DC-DC Converter的模塊中，堆疊了磁性材料后就可以形成一個1.5H電感，然后再加上一個MOSFET后就可以完成一個單芯片的DC-DC Converter，并且降低Converter的體積。就像Panasonic試著在LTCC層之間

8、注入磁性劑，借以形成電感，而日立金屬也正發(fā)展這方面的技術(shù)。而共燒不同特定介電常數(shù)的材料這一方面，期望在單一模塊中封裝兩個不同特性的元件，例如Soshin Electric堆疊介電常數(shù)為25和81的材料，來將濾波器和平衡Balum封裝在同一個模塊之內(nèi)。但是堆疊不同介電常數(shù)或磁性材料還有一些技術(shù)上的問題需要克服。例如陶瓷在燒結(jié)期間的縮小變化。一般來說，利用LTCC技術(shù)的陶瓷材料縮小率大概在1520左右，但是，如果在堆疊不同材料之后，在燒結(jié)的過程中，這些不同介電常數(shù)材料會出現(xiàn)不同的縮小率，使得燒結(jié)后模塊會產(chǎn)生變形的現(xiàn)象。除了縮小率之外，膨脹系數(shù)也是一個問題，系數(shù)不同材料，在燒結(jié)過程中當然會出現(xiàn)不同的

9、膨脹現(xiàn)象，同樣的，也會使得燒結(jié)后模塊會產(chǎn)生變形甚至于失敗的現(xiàn)象。圖3：陶瓷介質(zhì)、鐵氧體共燒系統(tǒng)的燒結(jié)收縮速率曲線和收縮曲線。（資料來源：北京清華大學材料科學與工程系實驗室）另外，開發(fā)出高介電常數(shù)的材料也是業(yè)界努力的另一個方向。由于采用高介電常數(shù)的材料可以提高電容量，以目前來說，使用介電常數(shù)100左右的材料，所內(nèi)建的只有電容量大概幾百個pF，但是如果使用介電常數(shù)1000的材料，可以將電容量提高到0.01F以上。LTCC的TCE值較接近矽和砷化鎵射頻元件電性能的溫度穩(wěn)定性是取決于材料的溫度系數(shù)，為了保證利用LTCC技術(shù)生產(chǎn)元件的可靠性，所以在進行材料選擇時，必須考慮到耐熱性能力，其中最關(guān)鍵的是熱膨

10、脹系數(shù)，需要盡可能與基板相匹配。此外，考慮到加工及以后的應用，LTCC材料還要滿足多項機械性能的要求，例如彎曲強度、硬度、表面平整度、彈性模量及斷裂韌性等等。圖4是IC封裝的各種材料的熱膨脹系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)LTCC、氧化鋁和其它陶瓷封裝的TCE接近Si、砷化鎵以及磷化銦的TCE值，而有機印制電板路材料的TCE值都比Si、砷化鎵高出很多。圖4：用于IC制造、封裝和連接材料的TCE與矽和砷化鎵的TCE值相接近的材料，可以減小機械應力、而可以應用在尺寸較大的芯片，不必使用有機疊層。減小熱不匹配性還可以增強機械的整體性，降低溫度特性的變化，以及增加類比、數(shù)碼和光學、電子技術(shù)的集成能力。圖5則是比較了陶瓷

11、和有機印制電路板材料的熱導率?？梢园l(fā)現(xiàn)，陶瓷材料的熱導率都很高，其中氧化鋁基板的熱導率是PCB有機材料的100倍，LTCC材料的熱導率是有機疊層的20倍。熱導率越高，可以簡化散熱設(shè)計，進而提高電路的壽命和可靠性。目前有許多光學元件要求氣密性封裝且熱性能好，但傳統(tǒng)的氣密性封裝技術(shù)成本相當高，而要結(jié)合陶瓷材料的低溫共燒技術(shù)，具有成本低廉的優(yōu)勢，可以取代傳統(tǒng)的氣密性封裝，并達到高可靠性。圖5：陶瓷和有機PCB材料的導熱率LTCC需面對的問題制作生產(chǎn)過程中，還必須注意的要點包括了，必須在900以下的溫度下燒結(jié)成致密、無氣孔的結(jié)構(gòu)；致密化溫度不能太低，以免阻止銀漿材料和有機物的排出；加入適當有機材料后可

12、流延成均勻、光滑、有一定強度表面。但是就基板材料而言，LTCC技術(shù)并非是業(yè)者唯一的選擇，由于LTCC是利用燒結(jié)陶瓷材料制作，所以耐沖擊的能力上也就出現(xiàn)了一些問題，例如基板太薄時容易破裂等，但是為了提高抗沖擊而將基板面積做得較小時，那么被設(shè)計在其中的元件數(shù)量也就隨之減少。例如，當客戶要求元件不得超過1.2平方毫米時，封裝生產(chǎn)業(yè)者或許就會選擇高介電常數(shù)或Q值的塑料材料。另外對于產(chǎn)品而言，是否需要如此小的模塊面積，也是產(chǎn)品客戶的考量，就像在目前面積約為3.2平方毫米的GSM手機天線開關(guān)模塊中，就包括了34個RF濾波器、阻抗匹配電路及其它功能的幾十個零組件。但是，產(chǎn)品客戶未必會花費更多的成本來采用LT

13、CC封裝技術(shù)，讓模塊的尺寸再縮小到2平方毫米以內(nèi)，因為，這與客戶所考量的價值性息息相關(guān)，與其花費較多的成本只縮小了接近一半模塊的面積，倒不如利用這些成本來提高手機的功能性。LTCC已被積極的應用在各領(lǐng)域由于LTCC是以陶瓷為介電材料，具有高Q值與高頻的特性，因而非常適用于高頻通訊模塊中，LTCC主要用于手機通訊、藍芽（Bluetooth）、無線網(wǎng)絡(luò)（WLAN）與全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的產(chǎn)品中。目前通訊產(chǎn)品中運用LTCC技術(shù)制作的整合型元件有功率放大器、天線、濾波器等。以手機為例，目前每個手機中約有200個以上的被動元件，因此被動元件的小型化決定了手機的輕薄，這樣的需求推動了被動電子陶瓷元件

14、的小型化、積集化。因此使用多元復合、集成化被動元件，使縮小手機體積尺寸，并提高元件密度的最佳解決方案。因此，多層陶瓷元件正由單一元件朝向復合多元、高集成化趨勢發(fā)展。過去，LTCC較常被應用在手機中射頻的基板上，利用LTCC技術(shù)可以將包括AP、濾波器、微帶濾波器、多層天線等等10多個元件整合在幾公厘平方的封裝之中。以濾波器為例，由LTCC制成的濾波器，頻率可以從數(shù)十MHz直到5.8GHz，再加上LTCC濾波器在體積、價格和溫度穩(wěn)定性等方面有其優(yōu)勢性，所以已經(jīng)被廣泛的使用。另外一些包括收發(fā)前端模塊、功率模塊和藍芽模塊等，也已成功開發(fā)利用LTCC技術(shù)將芯片與被動元件積集于同一基板上。但是，隨著加入者數(shù)量陸續(xù)增加，讓市場產(chǎn)生了激烈競爭的現(xiàn)象，使得業(yè)者陸續(xù)開發(fā)更多的應用領(lǐng)域。目前LTCC技術(shù)已經(jīng)邁入更新的應用階段，包括了無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、地面數(shù)碼廣播、全球定位系統(tǒng)接收器模塊、數(shù)碼信號處理器和存儲器等等以及其它電源供應模塊、甚至是數(shù)碼電路模塊基板。例如有村田、三菱電工、京瓷、TDK、Epcos、日立、Avx等十多家開發(fā)的手機天線開關(guān)模塊，NEC、村田和易利信等開發(fā)的藍芽模塊，都是由LTCC技術(shù)制成的。此外，LT