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    LTCC低溫共燒陶瓷技術

    Category : 知識分享     Date : 15/06/2022


    LTCC低溫共燒陶瓷工藝流程示意圖


    定義

    LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)技術即低溫共燒陶瓷技術,是一種先進的無源集成及混合電路封裝技術,它可 將三大無源元器件(包括電阻器、電容器和電感器)及其各種無源組件(如濾波器、變壓器等)封裝于多層布線基板中,并與有源器件(如:功率MOS、晶體管、IC電路模塊 等)共同集成為一完整的電路系統。它是近年發展起來的令人矚目的整合組件技術,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的元件產業的經濟增長點。

     ?。?/font>1)LTCC單一元器件,包括片式電感、片式電容、 片式電阻和片式磁珠等等;

     ?。?/font>2)LTCC組合器件,包括以LC組合片式濾波器為代表,在一個芯片內含有多個和多種元器件的組合器件;

     ?。?/font>3)LTCC集成模塊,在一個LTCC芯片中不僅含有多個和多種無源元器件,而且還包含多層布線,與有源模塊的接口等等;

    4)集成裸芯片的LTCC模塊。在(3)的基礎上同時內含有半導體裸芯片,構成一個整體封裝的模塊。

    優勢

    相對于傳統的器件及模塊加工工藝,采用LTCC技術具有以下主要的優點: 

    1. 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品質因子;

      2. 可以制作線寬小于50μm的細線結構電路;

      3. 可以制作層數很高的電路基板,并可將多種無源元件埋入其中,有利于提高電路及器件的組裝密度;

      4. 能集成的元件種類多、參量范圍大,除L/R/C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;

      5. 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;

      6. 一致性好,可靠性高,耐高溫、高濕、沖振,可應用于惡劣環境;

      7. 非連續式的生產工藝,允許對生坯基板進行檢查,從而有助于提高成品率,降低生產成本;

      8. 與薄膜多層布線技術具有良好的兼容性;

      因此,LTCC技術以其優異的電學、機械、熱學及工藝特性,成為最具潛力的電子元器件小型化、集成化和模塊化的實現方式。

      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LTCC元件、LTCC功能器件、LTCC封裝基板和LTCC模塊基板。

      LTCC功能器件

      早期通信產品內的濾波器和雙工器多為體積很大的介質濾波器和雙工器?,F在GSM和CDMA手機上的濾波器已被聲表面濾波器取代或埋入模塊基板中,而PHS手機和無繩電話上的濾波器則大多為體積小、價格低、由LTCC制成的LC濾波器,藍牙和無線網卡則從一開始就選用LC濾波器。

      由LTCC制成的濾波器包括帶通、高通和低通濾波器三種,頻率則從數十MHz直到5.8GHz。LC濾波器在體積、價格和溫度穩定性等方面有其無可比擬的優勢,其不斷受到廣泛重視就不難理解了。

      由LTCC制作的上述射頻器件在國外和我國臺灣省已有數年的歷史,日本的村田、東光、TDK、雙信電機,我國臺灣省的華信科技、ACX,韓國的三星等都在批量生產和銷售。我國內地在2003年才從展覽會和網頁上看到,南玻電子公司和另一家公司著手開發類似產品。

      LTCC片式天線

      WLAN和藍牙設備通信距離短,收發功率小,對天線的功率和收發特性要求不高,但對天線所占PCB的面積及成本要求很嚴。由LTCC制備的片式天線具有體積小、便于表面貼裝、可靠性高、成本低等顯著優點,已廣泛用于WLAN和藍牙。

      LTCC模塊基板

    電子元件的模塊化已成為業界不爭的事實,其中尤其以LTCC為首選方式??晒┻x擇的模塊基板有LTCC、HTCC(高溫共燒陶瓷)、傳統的PCB如FR4和PTFE(高性能聚四氟已烯)等。HTCC的燒結溫度在1500℃以上,與之匹配的難熔金屬如鎢、鉬/錳等導電性能較差,燒結收縮不如LTCC易于控制。LTCC的介電損耗比RF4低一個數量級。PTFE的損耗較低,但絕緣性都較差。LTCC比大多數有機基板材料可更好地控制精度。沒有任何有機材料可與LTCC基板的高頻性能、尺寸和成本進行綜合比較。

    發展

      國外和我國臺灣省對LTCC模塊基板的研究可謂如火如荼,已經有多種LTCC模塊商業化生產和應用。僅生產手機天線開關模塊(簡稱ASM)的就有村田、三菱電工、京瓷、TDK、Epcos、日立、Avx等十多家。此外還NEC、村田和愛立信等公司的藍牙模塊、日立等公司的功放模塊等等,都是由LTCC工藝制成的。

      LTCC模塊因其結構緊湊、耐機械沖擊和熱沖擊性強,目前在軍工和航天設備上受到極大關注和廣泛應用。今后其在汽車電子上的應用將會非常廣泛。

      國內LTCC產品的開發比國外發達國家至少落后5年。這主要是由于電子終端產品發展滯后造成的。LTCC功能組件和模塊主要用于CSM,CDMA和PHS手機、無繩電話、WLAN和藍牙等通信產品,除40多兆的無繩電話外,這幾類產品在國內是近4年才發展起來的。 深圳南玻電子有限公司引進了目前世界上最先進的設備,建成了國內第1條LTCC生產線,開發出了多種LTCC產品并己投產,如:片式LC濾波器系列、片式藍牙天線、片式定向耦合器、片式平衡-不平衡轉換器、低通濾波器陣列等,性能己達到國外同類產品水平,并己進入市場。目前,南玻電子正在開發LTCC多層基板和無線傳輸用的多種功能模塊。

      國內目前尚不能生產LTCC專用工藝設各。據不完全統計,國內南玻電子引進了一條完整的LTCC生產線,另外約有4家研究所己經或正在引進LTCC中試設備,開發LTCC功能模塊。

      香港青石集成微系統公司(CiMS)長期從事微波電磁場的研究與LTCC產品的設計。他們采用先進的電磁場模擬優化軟件,設計出了多款LC濾波器和LTCC模塊,取得了良好的效果。

      目前,清華大學材料系、上海硅酸鹽研究所等單位正在實驗室開發LTCC用陶瓷粉料,但還尚未到批量生產的程度。國內現在急需開發出系列化的、有自主知識產權的LTCC用陶瓷粉料,并專業化生產LTCC用陶瓷生帶系列,為LTCC產業的開發奠定基礎。南玻電子公司正在用進口粉料,開發出為9.1、18.0和37.4的3種生帶,厚度為10-100μm,生帶厚度系列化,為不同設計、不同工作頻率的LTCC產品的開發奠定了基礎。

    應用 

     1、在手機發展中的應用:

      我們知道,未來手機正朝著輕型化、多功能、數字化及高可靠性、高性能的方向發展,對元器件的小型化、集成化以至模塊化要求愈來愈迫切。LTCC低溫共燒陶瓷技術是近年來興起的一種令人矚目的多學科交叉的整合組件技術,它在推動手機體積和功能上的變化中都起到了巨大的作用,正是實現未來手機發展目標的有力手段。曾有人做了一個形象的比喻,將低溫共燒陶瓷制成的元器件比作一棟大廈,每一層有著不同的功能,但它們又是一個整體。LTCC 在手機中的用量約達80%以上,手機中使用的LTCC產品包括LC濾波器、雙工器、功能模塊、收發開關功能模塊。平常老百姓接觸到最多的就是手機、電話、無繩電話,現在用得最多的是藍牙耳機里面的天線。只要體積小的,無線接收的設備肯定要用到濾波器、天線,這些都離不開LTCC。LTCC器件的體積很小,最小的只有1mm×0.5mm,放在手中,可以說,只要稍微打個噴嚏可能就不見了。

      2、基于LTCC技術的天線制作:

      天線是任何無線電系統的基本組成部分,隨著無線通信的不斷發展,通信設備的集成度越來越高使得其體積越來越小,這就對天線的小型化提出了更高的要求,而利用LTCC技術能進一步縮小天線的體積而滿足系統小型化的要求。LTCC以其高耐溫性、高熱傳導率、低介質損耗、優良的高頻高Q 等特性非常適宜作為小型化天線的材料,而LTCC工藝所具備的多層技術又使得天線的布局從二維走向三維,為天線的小型化創造了更加良好的工藝條件。

      3、LTCC在微波器件中的作用:

      在眾多的微波介質板材中,LTCC相對于HTCC更具優勢。它結合了共燒技術和厚膜技術的優點,減少了昂貴、重復的燒結過程,所有電路被疊層熱壓并一次燒結,節省了時間,降低了成本,減小了電路的尺寸;對于射頻微波領域,更重要的是它具有高品質因數、高穩定性、高集成度等優點。因此,LTCC已成為民用和軍品電子系統理想的選用材料。目前,基于LTCC技術的微波器件已開始應用于手機、小靈通、無繩電話等各種移動通信設備中,在藍牙、無線局域網卡、天線開關等模塊中也大有用武之地。低溫陶瓷共燒(LTCC)技術采用厚膜材料,根據預先設計的版圖圖形和層疊次序,將金屬電極材料和陶瓷材料一次性共燒結,獲得所需的無源器件及模塊組件。金屬帶的層疊技術可以方便地實現層與層之間電容和電感的耦合,利用交叉電容耦合的方法就可以在阻帶獲得能改善傳輸特性的傳輸零點。此外,LTCC采用高電導率的金、銀等金屬作導電介質,在燒結過程中不會氧化,因此無需電鍍保護;LTCC陶瓷基片的組成成分可變,根據配料的不同可生成具有不同電氣性能的介質材料,各參量在一定范圍內可調整,從而增加了設計的靈活性。

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