LTCC技术介绍及应用前景

2010-08-21 来源:电子发烧友 我要评论(0) 字号:

     低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic LTCC)

  该技术是近年发展起来的令人瞩目的整合组件技术,已经成为无源集成的主流技术,成为无源元件领域的发展方向和新的元件产业的经济增长点。

  LTCC技术是于1982年休斯公司开发的新型材料技术,是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带,在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形,并将多个被动组件(如低容值电容、电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器等)埋入多层陶瓷基板中,然后叠压在一起,内外电极可分别使用银、铜、金等金属,在900℃下烧结,制成三维空间互不干扰的高密度电路,也可制成内置无源元件的三维电路基板,在其表面可以贴装IC和有源器件,制成无源/有源集成的功能模块,可进一步将电路小型化与高密度化,特别适合用于高频通讯用组件。

  利用LTCC制备片式无源集成器件和模块具有许多优点,首先,陶瓷材料具有优良的高频高Q特性;第二,使用电导率高的金属材料作为导体材料,有利于提高电路系统的品质因子;第三,可适应大电流及耐高温特性要求,并具备比普通PCB电路基板优良的热传导性;第四,可将无源组件埋入多层电路基板中,有利于提高电路的组装密度;第五,具有较好的温度特性,如较小的热膨胀系数、较小的介电常数温度系数,可以制作层数极高的电路基板,可以制作线宽小于50μm的细线结构。另外,非连续式的生产工艺允许对生坯基板进行检查,从而

  提高成品率,降低生产成本。

  LTCC器件按其所包含的元件数量和在电路中的作用,大体可分为LTCC元件、LTCC功能器件、LTCC封装基板和LTCC模块基板。

  LTCC功能器件

  早期通信产品内的滤波器和双工器多为体积很大的介质滤波器和双工器。现在GSM和CDMA手机上的滤波器已被声表面滤波器取代或埋入模块基板中,而PHS手机和无绳电话上的滤波器则大多为体积小、价格低、由LTCC制成的LC滤波器,蓝牙和无线网卡则从一开始就选用LC滤波器。

  由LTCC制成的滤波器包括带通、高通和低通滤波器三种,频率则从数十MHz直到5.8GHz。LC滤波器在体积、价格和温度稳定性等方面有其无可比拟的优势,其不断受到广泛重视就不难理解了。

  由LTCC制作的上述射频器件在国外和我国台湾省已有数年的历史,日本的村田、东光、TDK、双信电机,我国台湾省的华信科技、ACX,韩国的三星等都在批量生产和销售。我国内地在2003年才从展览会和网页上看到,南玻电子公司和另一家公司着手开发类似产品。

  LTCC片式天线

  WLAN和蓝牙设备通信距离短,收发功率小,对天线的功率和收发特性要求不高,但对天线所占PCB的面积及成本要求很严。由LTCC制备的片式天线具有体积小、便于表面贴装、可靠性高、成本低等显著优点,已广泛用于WLAN和蓝牙。

  LTCC模块基板

  电子元件的模块化已成为业界不争的事实,其中尤其以LTCC为首选方式。可供选择的模块基板有LTCC、HTCC(高温共烧陶瓷)、传统的PCB如FR4和PTFE(高性能聚四氟已烯)等。HTCC的烧结温度在1500℃以上,与之匹配的难熔金属如钨、钼/锰等导电性能较差,烧结收缩不如LTCC易于控制。LTCC的介电损耗比RF4低一个数量级。PTFE的损耗较低,但绝缘性都较差。LTCC比大多数有机基板材料可更好地控制精度。没有任何有机材料可与LTCC基板的高频性能、尺寸和成本进行综合比较。

  国外和我国台湾省对LTCC模块基板的研究可谓如火如荼,已经有多种LTCC模块商业化生产和应用。仅生产手机天线开关模块(简称ASM)的就有村田、三菱电工、京瓷、TDK、Epcos、日立、Avx等十多家。此外还NEC、村田和爱立信等公司的蓝牙模块、日立等公司的功放模块等等,都是由LTCC工艺制成的。

  LTCC模块因其结构紧凑、耐机械冲击和热冲击性强,目前在军工和航天设备上受到极大关注和广泛应用。今后其在汽车电子上的应用将会非常广泛。

  国产化成为LTCC器件发展契机

  国内LTCC器件的开发比国外至少落后5年。这主要是由于电子终端产品发展滞后造成的。

  LTCC功能器件和模块主要用于GSM、CDMA和PHS手机、无绳电话、WLAN和蓝牙等通信产品,除40多兆的无绳电话外,这几类产品在国内是近5年才发展起来的。国内的终端产品为了尽快抢占市场,最初的设计方案大都是从国外买来的,甚至方案与元器件打包采购,其所购方案都选用了国外元器件。前几年终端产品生产厂的主要目标是扩大市场份额,成本压力不大,无法顾及元器件国产化。随着终端产品产能过剩,价格和成本竞争将日趋激烈,元器件的国产化必将提上议事日程,这将为国内LTCC器件的发展提供良好的市场契机。

  LTCC器件的开发与生产,必须兼顾材料、设计及工艺与设备三个

  方面。

  材料

  LTCC器件对材料性能的要求包括电性能、热机械性能和工艺性能三方面。

  介电常数是LTCC材料最关健的性能。由于射频器件的基本单元———谐振器的长度与材料的介电常数的平方根成反比,当器件的工作频率较低时(如数百兆赫兹),如果用介电常数低的材料,器件尺寸将大得无法使用。因此,最好能使介电常数系列化以适用于不同的工作频率。

  介电损耗也是射频器件设计时一个重要考虑参数,它直接与器件的损耗相关。理论上希望越小越好。

  介电常数的温度系数,这是决定射频器件电性能的温度稳定性的重要参数。

  为了保证LTCC器件的可靠性,在材料选择时还必须考虑到许多热机械性能。其中最关健的是热膨胀系数,应尽可能与其要焊接的电路板相匹配。此外,考虑到加工及以后的应用,LTCC材料还应满足许多机械性能的要求,如弯曲强度σ、硬度Hv、表面平整度、弹性模量E及断裂韧性KIC等等。

  工艺性能大体可包括如下方面:第一,能在900℃以下的温度下烧结成致密、无气孔的显微结构。第二,致密化温度不能太低,以免阻止银浆料和生带中有机物的排出。第三,加入适当有机材料后可流延成均匀、光滑、有一定强度的生带。

  目前,国际上有duPont、Ferro和Heraeus三家提供数种介电常数小于10的生带,国内开发LTCC器件的研究所也都在采用这些生带。这些生带存在两个问题:首先,介电常数未系列化,不利于设计不同工作频率的器件。第二,这些生带开发商并无实际使用生带进行设计和生产的经验,比较注重生带与银浆料的匹配性和工艺性能,对于设计对生带的要求的掌握并不详尽。Heraeus目前似乎更着重

  于银浆和介电粉料的开发,似有退出生带生产之势,不知是否代表一种趋势。

  国内目前LTCC材料基本有两个来源,一是购买国外生带,二是器件生产厂从原料开发起。这些都不利于快速、低成本的开发出LTCC器件。因为,第一种方式会增加生产成本,第二种方式会延缓器件的开发时间。目前清华大学材料系、上海硅酸盐研究所等单位正在实验室开发LTCC用陶瓷粉料,尚未到批量生产的程度。国内现在亟须开发出系列化的、最好有自主知识产权的LTCC用陶瓷粉料,专业化的生产系列化LTCC用陶瓷生带,为LTCC器件的开发奠定基础。南玻电子公司正在用进口粉料,开发出介电常数为9.1、18.0和37.4的三种生带,厚度从10μm到100μm,生带厚度系列化,介电常数半系列化,为不同设计、不同工作频率的器件开发奠定了基础。

  设计

  LTCC器件的设计包括电性设计、应力设计和热设计等诸多方面,其中以电性设计最为关键。由于LTCC器件中包括多个等效分立元件,互相间耦合非常复杂,工作频率往往较高,更多的是采用电磁场而不是电路的概念。用过去的集总参数电路设计的方法是无法设计LTCC器件的。国内尚未看到有关LTCC器件电性设计的报道,这大概是制约LTCC器件开发的另一个重要因素。香港青石集成微系统公司(CiMS)长期从事微波电磁场的研究与LTCC器件的设计,颇有造诣。CiMS采用先

  进的电磁场模拟优化软件为南玻电子设计了多款LC滤波器和模块,取得了良好的效果。

  由电磁场模似设计软件可对生带和银电极的频率响应、损耗等进行定量分析,从而指导实际研发,缩短研发周期和成本。

  工艺设备

  LTCC器件的显著优点之一是其一致性好、精度高。而这完全有赖于所用材料的稳定性和工艺设备的精度。国内目前尚没有生产厂可制造与LTCC有关的成型设备。据不完全统计,国内南玻电子引进了一条完整的LTCC生产线,另外约有4家研究所已经或正在引进LTCC中试设备,开发军工用LTCC模块。

  LTCC是今后发展趋势

  LTCC是今后元件制造工艺的一个趋势,集成的趋势非常明显。据业内专家介绍,与其他集成技术相比,LTCC具有以下特点:根据配料的不同,LTCC材料的介电常数可以在很大范围内变动,增加了电路设计的灵活性;陶瓷材料具有优良的高频、高Q特性和高速传输特性;使用高电导率的金属材料作为导体材料,有利于提高电路系统的品质因数;制作层数很高的电路基板,减少连接芯片导体的长度与接点数,并可制作线宽小于50μm的细线结构电路,实现更多布线层数,能集成的元件种类多,参量范围大,易于实现多功能化和提高组装密度;可适应大电流及耐高温特性要求,具有良好的温度特性;与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性,二者结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层基板和混合型多芯片组件;易于实现多层布线与封装一体化结构,进一步减小体积和重量,提高可靠性、耐高温、高湿,可以应用于恶劣环境;采用非连续式的生产工艺,便于基板烧成前对每一层布线和互连通孔进行质量检查,有利于提高多层基板的成品率和质量,缩短生产周期,降低成本。

  深圳南玻电子有限公司研发部经理武隽在接受中国电子报记者采访时表示,业内专家此前预测LTCC发展的趋势目前都已经成为现实:首先是绿色化。电镀液、原材料领域都已采用绿色生产。其次是集成化。元件的集成比较普遍,模块化集成还没有规模化。最后是多功能化。现在国外已经研制出把不同功能的整合在一个器件里的产品。由此看来未来几年LTCC还将越来越热,以便给业界带来一个又一个有关LTCC的惊喜。

  原材料问题亟待解决

  中国电子学会元件分会秘书长陈福厚表示,国内LTCC行业面临的问题主要是原材料的问题。目前原材料的来源主要有三种方式:其一,直接从国外进口生带;其二,买磁粉,自己做生带;其三,自己研制磁粉。这三种方式中,第一种成本最高,第三种最慢。

  国内做得比较好的深圳南玻电子有限公司的做法很值得借鉴,他们采用第二种方式,所生产出的生带性能、质量都很不错,完全能够满足元器件及模块设计的要求。

  武隽认为,国内LTCC产业的上游,也就是原材料的研究不能停留在能做出样品、发表论文上,最终要落实到产业化上。他说,国内研发力量参差不齐,一致性方面特别是质量控制方面和国外企业相比还有差距,这是特别需要注意的问题。他强调,材料的一致性、可靠性及环保性,要全部达到要求,才能促进国内LTCC产业的发展,否则缺了其中一环,是做不成的。目前,他们正在和国内高校和研究所合作研究材料,但现在还没有产业化。

  EMI/EMC是破局点

  在LTCC领域,国内起步晚了一些,在技术的爬升阶段跟进得也慢了一些,导致现在与国外的差距越来越大,但也还是有机会的,因为市场容量在不断增长,如蓝牙的出货量及无绳电话、手机产业同步增长,而WiFi、WLAN等技术标准一旦成熟,势必会牵引出许多新的电子产品,因此采用LTCC工艺生产的产品市场机会是相当大的。

  陈福厚表示,采用LTCC工艺生产的元器件在手机板、交换机、电脑、便携式电子产品及DC-DC电源领域有广阔的前景,只要国内企业找到市场需要的产品,就一定会有钱赚。

  武隽告诉记者,EMI/EMC(抗电磁干扰)元件将是LTCC破局的着落点,它将催生出一个仅次于电子元件的器件市场。他解释说,我们每天生活的电磁波中,电磁干扰是个很严重的问题,因此电子产品的抗电磁干扰显得尤为重要。EMI/EMC元件不仅用在传统的家电,通信及便携电子产品也要用到,而由此催生出的巨大市场将是数以亿计的,目前,南玻已经研制出共模扼流圈。此外,LTCC在蓝牙技术上的应用也不容小觑,如近一两年面世的平衡滤波器,是一个很经典的器件,它的出现大大方便了蓝牙产品贴装,节省了面积,简化了采购。

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