低溫共燒陶瓷技術發展現狀及趨勢

周　琪

摘要：低溫共燒陶瓷（LTCC）技術是近年發展起來的令人矚目的電路封裝技術，已經成為無源集成的主流技術，成為無源元件領域的發展方向和新型電子元器件產業的經濟增長點。本文論述了LTCC技術特點、LTCC材料和器件的研究現狀以及未來發展趨勢。

關鍵詞：低溫共燒陶瓷技術（LTCC）；電路封裝；無源集成；發展現狀；趨勢

1概述

低溫共燒陶瓷技術（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）是美國休斯公司于1982年開發的新型電子封裝技術，該技術是將低溫燒結陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生料帶，在生料帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個無源元件(如低容值電容、電阻、濾波器、阻抗轉換器、耦合器等)埋入多層陶瓷基板中，然后疊壓在一起，內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。

LTCC技術具有如下優點：陶瓷材料具有優良的高頻高Q特性，使用頻率可高達幾十GHz；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的品質因子；可以制作線寬小于50μm的細線結構電路；可適應大電流及耐高溫特性要求，并具備比普通PCB電路基板更優良的熱傳導性；具有較好的溫度特性，如較小的熱膨脹系數、較小的介電常數溫度系數；可以制作層數很高的電路基板，并可將多個無源元件埋入其中，有利于提高電路的組裝密度；能集成的元件種類多、參量范圍大，除電感器/電阻器/電容器外，還可以將敏感元件、EMI抑制元件、電路保護元件等集成在一起；可以在層數很高的三維電路基板上，用多種方式鍵連IC和各種有源器件，實現無源/有源集成；可靠性高，耐高溫、高濕、沖振，可應用于惡劣環境；非連續式的生產工藝，允許對生坯基板進行檢查，從而提高成品率，降低生產成本。

LTCC技術由于自身具有的獨特優點，在軍事、航天、航空、電子、計算機、汽車、醫療等領域均獲得了越來

越廣泛的應用。

2LTCC技術的材料、設計和設備

LTCC技術的開發與應用，必須兼顧材料、設計及工藝設備三個方面。

2.1 材料

LTCC產品的性能完全依賴于所選用材料的性能。目前使用的能夠實現低溫燒結的陶瓷材料主要包括微晶玻璃體系、玻璃+陶瓷復合體系和非晶玻璃體系。其中微晶玻璃系和玻璃+陶瓷復合體系是近年來人們研究的重點，開發出了(Mg，Ca)TiO3系、BaO-TiO2系、ZnO-TiO2系、BaO-Nd2O3-TiO2系、(Zr，Sn)TiO3系、(Ba，Nb)TiO3系以及硼硅酸鹽系等許多LTCC材料體系。

低介電常數LTCC材料目前面臨的主要問題是高性能(低介電常數、低介電損耗、高機械強度)和低燒結溫度的矛盾。由于這一矛盾的存在，現有的商用LTCC材料系統均很難進行摻雜改性以獲得具有性能系列化的材料。

LTCC基板材料研究的一個熱點問題就是LTCC基板材料與異質材料共燒匹配性問題。一般LTCC材料的收縮率大約為15%～20%，在應用于高性能系統時，必須嚴格控制其收縮行為，獲得在X-Y方向零收縮率的材料。LTCC材料共燒匹配性的研究還包括如何實現基片與布線共燒時的收縮率及熱膨脹系數匹配問題，也就是解決基板與導體漿料之間燒結收縮率、致密化速度和致密化完成溫度相匹配的問題。

目前，國際上有DuPont、Ferro和Heraeus三家提供數種介電常數小于10的生料帶，國內開發LTCC器件的研究所也都在采用這些生料帶。這些生料帶存在兩個問題：首先，介電常數未系列化，不利于設計不同工作頻率的器件。第二，這些生料帶開發商并無實際使用生料帶進行設計和生產的經驗，比較注重生料帶與銀漿料的匹配性和工藝性能，對于設計對生料帶的要求的掌握并不詳盡。表1為典型LTCC生料帶性能。

國內目前LTCC材料基本有兩個來源，一是購買國外生料帶，二是器件生產廠從原料開發起。這些都不利于快速、低成本的開發出LTCC器件。第一種方式會增加生產成本，第二種方式會延緩器件的開發時間。目前清華大學材料系、上海硅酸鹽研究所、電子科技大學等單位正在實驗室開發LTCC用陶瓷粉料，但尚未達到批量生產的程度。國內現在亟須開發出系列化的、最好有自主知識產權的LTCC用陶瓷粉料，專業化的生產系列化LTCC用陶瓷生料帶，為LTCC器件的開發奠定基礎。

2.2 設計

LTCC器件的設計包括電性設計、應力設計和熱設計等諸多方面，其中以電性設計最為關鍵。由于LTCC器件中包括多個等效分立元件，互相間耦合非常復雜，工作頻率往往較高，更多的是采用電磁場而不是電路的概念。用過去的集總參數電路設計的方法是無法設計LTCC器件的。據報道香港青石集成微系統公司(CiMS)采用先進的電磁場模擬優化軟件設計了多款LC濾波器和模塊，取得了良好的效果。由電磁場模擬設計軟件可對生料帶和銀電極的頻率響應、損耗等進行定量分析，從而指導實際研發，縮短研發周期和成本。

2.3 工藝設備

LTCC器件的顯著優點之一是其一致性好、精度高。LTCC基板(帶埋置型元件)的工藝流程如下：生料帶→切片→預處理→沖片→打孔→通孔填充→印制導線→印制電極→印制無源元件→檢驗→疊片→熱壓→排膠→燒結→LTCC基板。圖1是低溫共燒多層陶瓷基板的工藝流程。

LTCC基板完全有賴于所用材料的穩定性和工藝設備的精度。國內目前尚沒有生產廠可制造與LTCC有關的成型設備。國內有軍工單位已經或正在引進LTCC中試設備，開發LTCC模塊。LTCC設備的關鍵是其精度和自動控制程度。

3LTCC應用現狀

3.1在高密度封裝中的應用。

LTCC在現代封裝技術中有很大的用途，目前應用領域主要有以下三個方面：

（1）應用于航空、航天及軍事領域，LTCC技術最先是在航空、航天及軍事電子裝備中得到應用的。美國雷聲公司、西屋公司和霍尼偉爾公司都擁有LTCC 設計與制造技術，并研制出了多種可用于導彈、航空和宇航等電子裝置的LTCC組件或系統。（2）應用于MEMS、驅動器和傳感器等領域，LTCC可以通過內埋置電容、電感等形成三維結構，從而大大縮小電路體積。（3）應用在汽車電子等領域，現代汽車的控制已邁入電子化和信息時代，在國外LTCC技術已被列為制作汽車電子電路的重要技術。

3.2在微波無源元件中的應用。

LTCC器件按其所包含的元件數量和在電路中的作用，大體可分為高精度片式元件、LTCC無源集成器件、LTCC無源集成基板和LTCC功能模塊。高精度片式元件主要包括高精度片式電感器、電阻器、片式微波電容器等，以及這些元件的陣列。LTCC無源集成功能器件包括片式射頻無源集成組件，如LC濾波器及其陣列、定向耦合器、功分器、功率合成器、天線、延遲線、衰減器，共模扼流圈及其陣列等。利用LTCC技術制成的LC濾波器包括帶通、高通和低通三種，頻率可從數十MHz到5.8GHz。采用LTCC無源集成器件，可以提高器件的集成密度，減小器件體積。

LTCC無源集成基板主要包括藍牙模塊基板、手機前端模塊基板等，再集成其他功能器件，就可得到如藍牙模塊、手機前端模塊、天線開關模塊、功放模塊等LTCC功能模塊。由于電子工業向高集成化發展，所以各種LTCC功能模塊的研制已經成為人們研究的焦點。藍牙技術和模塊的不斷更新，有力地推動了LTCC技術的發展。

4發展趨勢

4.1 LTCC產品標準化是未來發展主要方向。

通訊系統的射頻線路包含許多組件，各家LTCC廠商采用的集成方式也不盡相同。以手機射頻模塊為例，線路組件主要分成天線傳送/接收開關、SAW濾波器、低噪聲放大器、功率放大器、收發器及振蕩器等，在LTCC發展的策略上有的廠商整合天線與低噪聲放大器等成為前端組件FEM，有的廠商則整合天線及功率放大器等成為功率開關組件PSM。由于下游客戶在設計PCB板時必須根據不同的模塊做不同的設計，因此非標準化的模塊不但會增加成本，且在零件采購上可能受制于單一LTCC組件廠商。由此可知，LTCC組件市場若要大幅成長，產品規格的標準化將是廠商間必須盡快協調的重要課題。

4.2 LTCC組件將繼續向模塊小型化及系統高頻化方向發展。

隨著無線手持式消費產品快速成長，體積要求繼續減??；加上無線通訊系統工作頻率持續提升，組件的高頻特性也越重要。LTCC組件模塊的小型化必須通過增加陶瓷板層數、減少陶瓷板厚度、通孔成型及線路網版印刷微細化等技術來實現。而組件高頻特性除了靠調制低介電常數、高Q的陶瓷材料之外，同時以內部線路的設計來降低EMI干擾。未來LTCC組件的小型化及高頻化必須依賴于上游材料、工藝技術及線路設計能力之提升來實現。

4.3 LTCC無源器件高密度集成化。

在未來幾年，LTCC無源器件的高密度集成將進一步快速發展，由數百乃至數千個無源器件構成的毫米波無源集成器件，如x波段的128單元的平面天線陣等。細線技術也將成為共燒陶瓷的發展趨勢，未來的目標是使導電帶的寬度和間距＜25微米。隨著細線技術的發展，這個目標將會達到。

5結束語

LTCC技術最早由美國開始發展，初期應用于軍用產品；后來陸續有歐洲廠商將其引入車用市場；爾后再由日本廠商將該其應用于信息產品之中。在全球LTCC市場占有率前9大廠商之中，日本廠商計有Murata、Kyocera、TDK及Taiyo Yuden；美國廠商有CTS；歐洲廠商有Bosch、CMAC、Epcos及Sorep-Erulec等。國外廠商由于投入已久，在產品性能、專利技術、材料及規格主動權等方面均比國內廠商具有更有利的地位。我國LTCC產品技術的開發比國外發達國家至少落后5～10年，特別在LTCC材料及其配套漿料方面差距更大，加速發展我國LTCC技術將對我國的電子工業振興具有重要意義。

隨著LTCC所用陶瓷和漿料低溫燒結化的深入研發，LTCC基板在芯片封裝中的應用日漸廣泛，其封裝結構緊湊、體積小、重量輕、性能好、可靠性高的特點突顯，技術研發和市場需求緊密結合，已成為微電子產業兵家必爭之地。LTCC是器件封裝及模塊化的首選，同時也是發展毫米波及微波IC與光電子器件的當務之急，低成本國產化有很大發展機遇。