低溫共燒多層陶瓷(LTCC)技術特點與應用

1、單芯片模塊技術尚未實用化之前，被動元件在成本及特性的因素下，無法完全整合于IC內，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目相當多，容易造成可靠度低、高生產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，目前已初步形成產業(yè)雛形。低溫共燒陶瓷技術成被動元件顯學低溫共燒多層陶瓷技術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是被動元件產業(yè)極力開發(fā)的技術。低溫共燒多層陶瓷技術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，大多數的被動元件及天線都能采用低溫共燒多層陶瓷（LTCC）技術來將元件埋入基板，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被動元件集成電子元件的模塊化已成為產品必然的趨勢，尤其以LTCC技術生產更是目前各業(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，產業(yè)界已對材料和技術已有相當的了解。并且，氧化鋁的機械強度比LTCC介質材料的機械

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、較小的介電常數溫度系數，可以制作層數極高的電路基板，可以制作線寬小于50m的細線結構。LTCC封裝業(yè)者對于線寬的發(fā)展也相當的積極，例如，日本KOA利用噴墨技術將含有銀的材料將圖案印刷到綠色薄片上，然后進行燒結來以達到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LTCC的繞線布局設計軟件及資料庫，相信未來低溫共燒多層陶瓷（LTCC）技術將會是甚被期待的被動元件技術之一。材料的選用關系著LTCC的優(yōu)劣高頻化是數碼3C產

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、高質量、低頻率溫度系數是目前微波介質陶瓷材料研究的重點。介電常數是LTCC材料最關鍵的性能。目前，LTCC技術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計時一個重要參數，直接與元件的損耗相關，所以當然期望材料介電損耗能越小越好。日本積極發(fā)展不同介電常數材料堆疊在生產的技術上，目前，大部分在基板上都是堆疊相同介電常數的基板。但是已經開始有業(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。而共燒不同特定介電常數的材料這一方面，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。但是堆疊不同介電常數或磁性材料還有一些技術上的問題需要克服。例如陶瓷在燒結期間的縮小變化。一般來說，利用LTCC技術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，在燒結的過程中，這些不同介電常數材料會出現不同的縮小率，使得燒結后模塊會產生變形的現象。除了縮小率之外，膨脹系數也是一個問題，系數不同材料，在燒結過程中當然會出現不同的

9、膨脹現象，同樣的，也會使得燒結后模塊會產生變形甚至于失敗的現象。圖3：陶瓷介質、鐵氧體共燒系統(tǒng)的燒結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的材料可以提高電容量，以目前來說，使用介電常數100左右的材料，所內建的只有電容量大概幾百個pF，但是如果使用介電常數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，為了保證利用LTCC技術生產元件的可靠性，所以在進行材料選擇時，必須考慮到耐熱性能力，其中最關鍵的是熱膨

10、脹系數，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，可以發(fā)現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、數碼和光學、電子技術的集成能力。圖5則是比較了陶瓷

11、和有機印制電路板材料的熱導率。可以發(fā)現，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)的氣密性封裝技術成本相當高，而要結合陶瓷材料的低溫共燒技術，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以下的溫度下燒結成致密、無氣孔的結構；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技術并非是業(yè)者唯一的選擇，由于LTCC是利用燒結陶瓷材料制作，所以耐沖擊的能力上也就出現了一些問題，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，那么被設計在其中的元件數量也就隨之減少。例如，當客戶要求元件不得超過1.2平方毫米時，封裝生產業(yè)者或許就會選擇高介電常數或Q值的塑料材料。另外對于產品而言，是否需要如此小的模塊面積，也是產品客戶的考量，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，產品客戶未必會花費更多的成本來采用LT

13、CC封裝技術，讓模塊的尺寸再縮小到2平方毫米以內，因為，這與客戶所考量的價值性息息相關，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）、無線網絡（WLAN）與全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的產品中。目前通訊產品中運用LTCC技術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技術將芯片與被動元件積集于同一基板上。但是，隨著加入者數量陸續(xù)增加，讓市場產生了激烈競爭的現象，使得業(yè)者陸續(xù)開發(fā)更多的應用領域。目前LTCC技術已經邁入更新的應用階段，包括了無線區(qū)域網絡、地面數碼廣播、全球定位系統(tǒng)接收器模塊、數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)的手機天線開關模塊，NEC、村田和易利信等開發(fā)的藍芽模塊，都是由LTCC技術制成的。此外，LT