低溫共燒多層陶瓷(LTCC)技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用

1、單芯片模塊技術(shù)尚未實(shí)用化之前，被動(dòng)元件在成本及特性的因素下，無(wú)法完全整合于IC內(nèi)，必須利用外接的方式來(lái)達(dá)到功能模塊，但是因?yàn)樵诠δ苣K上所使用的被動(dòng)元件數(shù)目相當(dāng)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(diǎn)，所以利用低溫共燒多層陶瓷（Low-Temperature Co-fired Ceramics；LTCC）技術(shù)來(lái)克服上述的缺點(diǎn)。低溫共燒陶瓷以其優(yōu)異的電子、機(jī)械、熱力特性，已成為未來(lái)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(dòng)元件顯學(xué)低溫共燒多層陶瓷技術(shù)提供了高度的主動(dòng)元件或模塊及被動(dòng)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(gè)厚度只有幾微米的陶瓷基板，并且嵌入被動(dòng)元件以及其它IC，所以近年來(lái)LTCC是被動(dòng)元件產(chǎn)業(yè)極力開(kāi)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(dòng)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(lái)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(chǔ)器以及大電容和大電阻之外，大多數(shù)的被動(dòng)元件及天線(xiàn)都能采用低溫共燒多層陶瓷（LTCC）技術(shù)來(lái)將元件埋入基板，容易的地將被動(dòng)元件與電路配線(xiàn)集中于基板內(nèi)層，而達(dá)到節(jié)省空間、降低成本的SoP（System on Package）目標(biāo)

3、，開(kāi)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(shí)現(xiàn)被動(dòng)元件集成電子元件的模塊化已成為產(chǎn)品必然的趨勢(shì)，尤其以L(fǎng)TCC技術(shù)生產(chǎn)更是目前各業(yè)者積極開(kāi)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(guò)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(dǎo)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(wú)優(yōu)點(diǎn)，表1、表2為高溫共燒陶瓷多層基板的一些優(yōu)點(diǎn)。HTCC是一種成熟技術(shù)，產(chǎn)業(yè)界已對(duì)材料和技術(shù)已有相當(dāng)?shù)牧私狻２⑶?，氧化鋁的機(jī)械強(qiáng)度比LTCC介質(zhì)材料的機(jī)械

4、強(qiáng)度高得多，可使封裝較牢固和更持久。此外，氧化鋁的熱導(dǎo)率比LTCC介質(zhì)材料的熱導(dǎo)率幾乎要高20倍。在介電損耗方面，RF4要比LTCC來(lái)的高，而雖然PTFE的損耗較低，但絕緣性卻不如LTCC。所以L(fǎng)TCC比大多數(shù)有機(jī)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(kāi)發(fā)的被動(dòng)元件和模塊具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括了，陶瓷材料具有高頻、高Q特性；LTCC技術(shù)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)的質(zhì)量；可適應(yīng)大電流及耐高溫特性要求，并具備比普通PCB電路基板優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性；可將被動(dòng)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(xiàn)寬小于50m的細(xì)線(xiàn)結(jié)構(gòu)。LTCC封裝業(yè)者對(duì)于線(xiàn)寬的發(fā)展也相當(dāng)?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(jìn)行燒結(jié)來(lái)以達(dá)到20m的線(xiàn)和線(xiàn)距。所以包括日本、美國(guó)等大廠(chǎng)，例如Kyocera、Soshin、TDK、Dupont、CTS、NS等業(yè)者對(duì)于LTCC（多層低溫共燒陶瓷）的開(kāi)發(fā)都相當(dāng)積極，另外也有部份業(yè)者建構(gòu)LTCC的繞線(xiàn)布局設(shè)計(jì)軟件及資料庫(kù)，相信未來(lái)低溫共燒多層陶瓷（LTCC）技術(shù)將會(huì)是甚被期待的被動(dòng)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(shì)。就像目前第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻率高達(dá)2GHz左右。這對(duì)于對(duì)陶瓷材料來(lái)說(shuō)，如何適應(yīng)高工作頻率是一個(gè)嚴(yán)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(kāi)發(fā)的課題。例如開(kāi)發(fā)適合應(yīng)用于微波應(yīng)用的低損耗、溫度穩(wěn)定的電介質(zhì)陶瓷材料，可以被應(yīng)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(diǎn)。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(yīng)用于手機(jī)的射頻系統(tǒng)上，而諧振器的長(zhǎng)度與材料的介電常數(shù)的平方根是成反比，所以當(dāng)元件的工作頻率較低時(shí)，如果使用低

7、介電常數(shù)的材料，那么諧振器的長(zhǎng)度就長(zhǎng)得無(wú)法接受。介電損耗也是射頻元件設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)重要參數(shù)，直接與元件的損耗相關(guān)，所以當(dāng)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(kāi)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(gè)1.5H電感，然后再加上一個(gè)MOSFET后就可以完成一個(gè)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(gè)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(lái)將濾波器和平衡Balum封裝在同一個(gè)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(wèn)題需要克服。例如陶瓷在燒結(jié)期間的縮小變化。一般來(lái)說(shuō)，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(guò)程中，這些不同介電常數(shù)材料會(huì)出現(xiàn)不同的縮小率，使得燒結(jié)后模塊會(huì)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(gè)問(wèn)題，系數(shù)不同材料，在燒結(jié)過(guò)程中當(dāng)然會(huì)出現(xiàn)不同的

9、膨脹現(xiàn)象，同樣的，也會(huì)使得燒結(jié)后模塊會(huì)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(xiàn)和收縮曲線(xiàn)。（資料來(lái)源：北京清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系實(shí)驗(yàn)室）另外，開(kāi)發(fā)出高介電常數(shù)的材料也是業(yè)界努力的另一個(gè)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(lái)說(shuō)，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(gè)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(jìn)行材料選擇時(shí)，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(yīng)用，LTCC材料還要滿(mǎn)足多項(xiàng)機(jī)械性能的要求，例如彎曲強(qiáng)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(jī)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(jī)械應(yīng)力、而可以應(yīng)用在尺寸較大的芯片，不必使用有機(jī)疊層。減小熱不匹配性還可以增強(qiáng)機(jī)械的整體性，降低溫度特性的變化，以及增加類(lèi)比、數(shù)碼和光學(xué)、電子技術(shù)的集成能力。圖5則是比較了陶瓷

11、和有機(jī)印制電路板材料的熱導(dǎo)率?？梢园l(fā)現(xiàn)，陶瓷材料的熱導(dǎo)率都很高，其中氧化鋁基板的熱導(dǎo)率是PCB有機(jī)材料的100倍，LTCC材料的熱導(dǎo)率是有機(jī)疊層的20倍。熱導(dǎo)率越高，可以簡(jiǎn)化散熱設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高電路的壽命和可靠性。目前有許多光學(xué)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(dāng)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(shì)，可以取代傳統(tǒng)的氣密性封裝，并達(dá)到高可靠性。圖5：陶瓷和有機(jī)PCB材料的導(dǎo)熱率LTCC需面對(duì)的問(wèn)題制作生產(chǎn)過(guò)程中，還必須注意的要點(diǎn)包括了，必須在900以下的溫度下燒結(jié)成致密、無(wú)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(jī)物的排出；加入適當(dāng)有機(jī)材料后可

12、流延成均勻、光滑、有一定強(qiáng)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(wèn)題，例如基板太薄時(shí)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(shí)，那么被設(shè)計(jì)在其中的元件數(shù)量也就隨之減少。例如，當(dāng)客戶(hù)要求元件不得超過(guò)1.2平方毫米時(shí)，封裝生產(chǎn)業(yè)者或許就會(huì)選擇高介電常數(shù)或Q值的塑料材料。另外對(duì)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(hù)的考量，就像在目前面積約為3.2平方毫米的GSM手機(jī)天線(xiàn)開(kāi)關(guān)模塊中，就包括了34個(gè)RF濾波器、阻抗匹配電路及其它功能的幾十個(gè)零組件。但是，產(chǎn)品客戶(hù)未必會(huì)花費(fèi)更多的成本來(lái)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?xún)?nèi)，因?yàn)椋@與客戶(hù)所考量的價(jià)值性息息相關(guān)，與其花費(fèi)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(lái)提高手機(jī)的功能性。LTCC已被積極的應(yīng)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(jī)通訊、藍(lán)芽（Bluetooth）、無(wú)線(xiàn)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(yùn)用LTCC技術(shù)制作的整合型元件有功率放大器、天線(xiàn)、濾波器等。以手機(jī)為例，目前每個(gè)手機(jī)中約有200個(gè)以上的被動(dòng)元件，因此被動(dòng)元件的小型化決定了手機(jī)的輕薄，這樣的需求推動(dòng)了被動(dòng)電子陶瓷元件

14、的小型化、積集化。因此使用多元復(fù)合、集成化被動(dòng)元件，使縮小手機(jī)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(fù)合多元、高集成化趨勢(shì)發(fā)展。過(guò)去，LTCC較常被應(yīng)用在手機(jī)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(xiàn)等等10多個(gè)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(jià)格和溫度穩(wěn)定性等方面有其優(yōu)勢(shì)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(lán)芽模塊等，也已成功開(kāi)發(fā)利用LTCC技術(shù)將芯片與被動(dòng)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(chǎng)產(chǎn)生了激烈競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)象，使得業(yè)者陸續(xù)開(kāi)發(fā)更多的應(yīng)用領(lǐng)域。目前LTCC技術(shù)已經(jīng)邁入更新的應(yīng)用階段，包括了無(wú)線(xiàn)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(hào)處理器和存儲(chǔ)器等等以及其它電源供應(yīng)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(kāi)發(fā)的手機(jī)天線(xiàn)開(kāi)關(guān)模塊，NEC、村田和易利信等開(kāi)發(fā)的藍(lán)芽模塊，都是由LTCC技術(shù)制成的。此外，LT