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LTCC低温共烧陶瓷技术

浏览次数:日期:2021-04-27 10:53:13

LTCC工艺流程示意图

















定义

    LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)技术即低温共烧陶瓷技术,是一种先进的无源集成及混合电路封装技术,它可将三大无源元器件(包括电阻器、电容器和电感器)及其各种无源组件(如滤波器、变压器等)封装于多层布线基板中,并与有源器件(如:功率MOS、晶体管、IC电路模块 等)共同集成为一完整的电路系统。它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。

  (1)LTCC单一元器件,包括片式电感、片式电容、 片式电阻和片式磁珠等等;

  (2)LTCC组合器件,包括以LC组合片式滤波器为代表,在一个芯片内含有多个和多种元器件的组合器件;

  (3)LTCC集成模块,在一个LTCC芯片中不仅含有多个和多种无源元器件,而且还包含多层布线,与有源模块的接口等等;

(4)集成裸芯片的LTCC模块。在(3)的基础上同时内含有半导体裸芯片,构成一个整体封装的模块。

优势

  相对于传统的器件及模块加工工艺,采用LTCC技术具有以下主要的优点:

  1. 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品质因子;

  2. 可以制作线宽小于50μm的细线结构电路;

  3. 可以制作层数很高的电路基板,并可将多种无源元件埋入其中,有利于提高电路及器件的组装密度;

  4. 能集成的元件种类多、参量范围大,除L/R/C外,还可以将敏感元件、EMI抑制元件、电路保护元件等集成在一起;

  5. 可以在层数很高的三维电路基板上,用多种方式键连IC和各种有源器件,实现无源/有源集成;

  6. 一致性好,可靠性高,耐高温、高湿、冲振,可应用于恶劣环境;

  7. 非连续式的生产工艺,允许对生坯基板进行检查,从而有助于提高成品率,降低生产成本;

  8. 与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性;

  因此,LTCC技术以其优异的电学、机械、热学及工艺特性,成为最具潜力的电子元器件小型化、集成化和模块化的实现方式。

  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、成本低等显着优点,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。

发展

  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。

  国内LTCC产品的开发比国外发达国家至少落后5年。这主要是由于电子终端产品发展滞后造成的。LTCC功能组件和模块主要用于CSM,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4年才发展起来的。 深圳南玻电子有限公司引进了目前世界上最先进的设备,建成了国内第1条LTCC生产线,开发出了多种LTCC产品并己投产,如:片式LC滤波器系列、片式蓝牙天线、片式定向耦合器、片式平衡-不平衡转换器、低通滤波器阵列等,性能己达到国外同类产品水平,并己进入市场。目前,南玻电子正在开发LTCC多层基板和无线传输用的多种功能模块。

  国内目前尚不能生产LTCC专用工艺设各。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家研究所己经或正在引进LTCC中试设备,开发LTCC功能模块。

  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产品的设计。他们采用先进的电磁场模拟优化软件,设计出了多款LC滤波器和LTCC模块,取得了良好的效果。

  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,但还尚未到批量生产的程度。国内现在急需开发出系列化的、有自主知识产权的LTCC用陶瓷粉料,并专业化生产LTCC用陶瓷生带系列,为LTCC产业的开发奠定基础。南玻电子公司正在用进口粉料,开发出为9.1、18.0和37.4的3种生带,厚度为10-100μm,生带厚度系列化,为不同设计、不同工作频率的LTCC产品的开发奠定了基础。

应用 

   1、在手机发展中的应用:

  我们知道,未来手机正朝着轻型化、多功能、数字化及高可靠性、高性能的方向发展,对元器件的小型化、集成化以至模块化要求愈来愈迫切。LTCC低温共烧陶瓷技术是近年来兴起的一种令人瞩目的多学科交叉的整合组件技术,它在推动手机体积和功能上的变化中都起到了巨大的作用,正是实现未来手机发展目标的有力手段。曾有人做了一个形象的比喻,将低温共烧陶瓷制成的元器件比作一栋大厦,每一层有着不同的功能,但它们又是一个整体。LTCC 在手机中的用量约达80%以上,手机中使用的LTCC产品包括LC滤波器、双工器、功能模块、收发开关功能模块。平常老百姓接触到最多的就是手机、电话、无绳电话,现在用得最多的是蓝牙耳机里面的天线。只要体积小的,无线接收的设备肯定要用到滤波器、天线,这些都离不开LTCC。LTCC器件的体积很小,最小的只有1mm×0.5mm,放在手中,可以说,只要稍微打个喷嚏可能就不见了。

  2、基于LTCC技术的天线制作:

  天线是任何无线电系统的基本组成部分,随着无线通信的不断发展,通信设备的集成度越来越高使得其体积越来越小,这就对天线的小型化提出了更高的要求,而利用LTCC技术能进一步缩小天线的体积而满足系统小型化的要求。LTCC以其高耐温性、高热传导率、低介质损耗、优良的高频高Q 等特性非常适宜作为小型化天线的材料,而LTCC工艺所具备的多层技术又使得天线的布局从二维走向三维,为天线的小型化创造了更加良好的工艺条件。

  3、LTCC在微波器件中的作用:

  在众多的微波介质板材中,LTCC相对于HTCC更具优势。它结合了共烧技术和厚膜技术的优点,减少了昂贵、重复的烧结过程,所有电路被叠层热压并一次烧结,节省了时间,降低了成本,减小了电路的尺寸;对于射频微波领域,更重要的是它具有高品质因数、高稳定性、高集成度等优点。因此,LTCC已成为民用和军品电子系统理想的选用材料。目前,基于LTCC技术的微波器件已开始应用于手机、小灵通、无绳电话等各种移动通信设备中,在蓝牙、无线局域网卡、天线开关等模块中也大有用武之地。低温陶瓷共烧(LTCC)技术采用厚膜材料,根据预先设计的版图图形和层叠次序,将金属电极材料和陶瓷材料一次性共烧结,获得所需的无源器件及模块组件。金属带的层叠技术可以方便地实现层与层之间电容和电感的耦合,利用交叉电容耦合的方法就可以在阻带获得能改善传输特性的传输零点。此外,LTCC采用高电导率的金、银等金属作导电介质,在烧结过程中不会氧化,因此无需电镀保护;LTCC陶瓷基片的组成成分可变,根据配料的不同可生成具有不同电气性能的介质材料,各参量在一定范围内可调整,从而增加了设计的灵活性。

文章截取:wiki.dzsc.com
 
图片来源:YAGEO国巨股份有限公司影音视频


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