《低温共烧多层陶瓷技术特点与应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《低温共烧多层陶瓷技术特点与应用（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、单芯片模块技术尚未实用化之前，被动元件在成本及特性的因素下，无法完全整合于 IC 内，必须利用外接的方式来达到功能模块，但是因为在功能模块上所使用的被动元件数 目相当多，容易造成可靠度低、高生产成本及基板面积不易缩小等缺点，所以利用低温共烧 多层陶瓷(Low-Temperature Co-fired Ceramics； LTCC)技术来克服上述的缺点。低温共 烧陶瓷以其优异的电子、机械、热力特性，已成为未来电子元件积集化、模块化的首选方式， 在全球发展迅速，目前已初步形成产业雏形。低温共烧陶瓷技术成被动元件显学低温共烧多层陶瓷技术提供了高度的主动元件或模块及被动元件的整合能力，并能到模 块缩小
2、化及低成本的要求，可以堆叠数个厚度只有几微米的陶瓷基板，并且嵌入被动元件以 及其它IC，所以近年来LTCC是被动元件产业极力开发的技术。低温共烧多层陶瓷技术是利 用陶瓷材料作为基板，将低容值电容、电阻、耦合等被动元件埋入多层陶瓷基板中，并采用 金、银、铜等贵金属等低阻抗金属共烧作为电极，再使用平行印刷来涂布电路，最后在摄氏 850-900度中烧结而形成整合式陶瓷元件。除了芯片、石英震荡器、快闪存储器以及大电容和大电阻之外，大多数的被动元件及天 线都能采用低温共烧多层陶瓷(LTCC)技术来将元件埋入基板，容易的地将被动元件与电路 配线集中于基板内层，而达到节省空间、降低成本的SoP (Syste
3、m on Package)目标，开 发出轻、薄、短、小及低成本的模块。图2：利用多层多成分陶瓷的共烧而实现被动元件集成电子元件的模块化已成为产品必然的趋势，尤其以LTCC技术生产更是目前各业者积极 开发的方向。目前可供选择的模块基板包括了 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。不过由于HTCC的烧结温度需在1500C以上，而所采用的高熔金属如钨、钼、锰等导电 性能较差，所以烧结收缩并不如LTCC易于控制，但是，HTCC也不是全无优点，表1、表2 为高温共烧陶瓷多层基板的一些优点。HTCC是一种成熟技术，产业界已对材料和技术已有 相当的了
4、解。并且，氧化铝的机械强度比LTCC介质材料的机械强度高得多，可使封装较牢 固和更持久。此外，氧化铝的热导率比LTCC介质材料的热导率几乎要高20倍。在介电损耗方面，RF4要比LTCC来的高，而虽然PTFE的损耗较低，但绝缘性却不如LTCC。 所以 LTCC 比大多数有机基板材料提供了更好地控制能力，在高频性能、尺寸和成本方面， 比较之下 LTCC 比其它基板更为出色。利用 LTCC 技术开发的被动元件和模块具有许多优点，包括了，陶瓷材料具有高频、高 Q特性；LTCC技术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质量；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
5、的热传导性；可将被动元件 嵌入多层电路基板中，有利于提高电路的组装密度；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50um 的细线结构。LTCC 封装业者对于线宽的发展也相当的积极，例如，日本KOA利用喷墨技术将含有银 的材料将图案印刷到绿色薄片上，然后进行烧结来以达到20um的线和线距。所以包括日本、美国等大厂，例如Kyocera、Soshin、TDK、Dupont、CTS、NS等业者对 于LTCC （多层低温共烧陶瓷）的开发都相当积极，另外也有部份业者建构LTCC的绕线布局 设计软件及资料库，相信未来低温共烧多层陶瓷（LT
6、CC）技术将会是甚被期待的被动元件技 术之一。HTCC LTCC 擁和懐點的鹿HTCCLTCC僅點榊耳和技術成熟0其生產敢率咼設計周期短X0對設rm化的回應怏開發費用低X0低Eniil解析度咼X0高頻應用j數平受限制00能蓬到最咼電路密度搅結過程X0沿用現有厚腫材料X0證計靈活性最大0X封热技術閒便嚴密的技術控制X0推高總土產效率對晶片引線和羨面 組裝證備的適應性00證計的機動性强資料来源：电子時報整理，2OO6JD2製表：遷儒HTCC eSLICC機電删解點ffi理的比較特點HTCCLTCC懐點融度小X0提高親焊設備生產效率我回床且糙度小XO高頻性能較好頂層尺寸穏定程廣咼其0提高線焊證備生產
7、做率的 穏定程度熱匪係數舆氧化鋁或 砂的匹配程度佳其O提高裟能力執導率咼0X熱4摧良好密封性佳0O提供封裝礙的董挥率高冀0採用齟瞬和小空間設計介質4誰控制僅良0O竜性能更相容機械強度高0X封議更牢固賢斜来源：竜子時報整理，20K/D2製丢：虜辰儒材料的选用关系著LTCC的优劣高频化是数码3C产品发展的必然趋势。就像目前第三代移动通信系统的频率高达2GHz 左右。这对于对陶瓷材料来说，如何适应高工作频率是一个严苛的挑战。因此，陶瓷材料必 须提供良好高频特性以及工作频率的功能，所以微波介质陶瓷材料及新型微波元件是积极被 开发的课题。例如开发适合应用于微波应用的低损耗、温度稳定的电介质陶瓷材料，可以
8、被 应用在微波谐振器、滤波器、微波电容器以及微波基板等等。所以求高介电常数、高质量、 低频率温度系数是目前微波介质陶瓷材料研究的重点。介电常数是LTCC材料最关键的性能。目前，LTCC技术最常被应用于手机的射频系统上， 而谐振器的长度与材料的介电常数的平方根是成反比，所以当元件的工作频率较低时，如果 使用低介电常数的材料，那么谐振器的长度就长得无法接受。介电损耗也是射频元件设计时 一个重要参数，直接与元件的损耗相关，所以当然期望材料介电损耗能越小越好。日本积极发展不同介电常数材料堆叠在生产的技术上，目前，大部分在基板上都是堆叠相同介电常数的基板。但是已经开始 有业者尝试著将不同的材料或者将磁性
9、材料堆叠在一起，也就是意味著，将不同介电常数的 基板堆叠在一起。例如，在DC-DCConverter的模块中，堆叠了磁性材料后就可以形成一个 1.5uH电感，然后再加上一个M0SFET后就可以完成一个单芯片的DC-DC Conver ter,并且 降低Converter的体积。就像Panasonic试著在LTCC层之间注入磁性剂，借以形成电感， 而日立金属也正发展这方面的技术。而共烧不同特定介电常数的材料这一方面，期望在单一 模块中封装两个不同特性的元件，例如Soshin Elec trie堆叠介电常数为25和81的材料， 来将滤波器和平衡/Balum封装在同一个模块之内。但是堆叠不同介电常数
10、或磁性材料还有一些技术上的问题需要克服。例如陶瓷在烧结期 间的缩小变化。一般来说，利用LTCC技术的陶瓷材料缩小率大概在1520%左右，但是，如果在堆叠不 同材料之后，在烧结的过程中，这些不同介电常数材料会出现不同的缩小率，使得烧结后模 块会产生变形的现象。除了缩小率之外，膨胀系数也是一个问题，系数不同材料，在烧结过 程中当然会出现不同的膨胀现象，同样的，也会使得烧结后模块会产生变形甚至于失败的现 象。图 3：陶瓷介质、铁氧体共烧系统的烧结收缩速率曲线和收缩曲线。（资料来源：北京清华大学材料科学与工程系实验室）另外，开发出高介电常数的材料也是业界努力的另一个方向。由于采用高介电常数的材 料可以
11、提高电容量，以目前来说，使用介电常数 100 左右的材料，所内建的只有电容量大概 几百个pF，但是如果使用介电常数1000的材料，可以将电容量提高到0.01卩F以上。LTCC的TCE值较接近矽和砷化镓射频元件电性能的温度稳定性是取决于材料的温度系数，为了保证利用LTCC技术生产 元件的可靠性，所以在进行材料选择时，必须考虑到耐热性能力，其中最关键的是热膨胀系 数，需要尽可能与基板相匹配。此外，考虑到加工及以后的应用，LTCC材料还要满足多项 机械性能的要求，例如弯曲强度、硬度、表面平整度、弹性模量及断裂韧性等等。图4是IC 封装的各种材料的热膨胀系数，可以发现LTCC、氧化铝和其它陶瓷封装的T
12、CE 接近Si、砷化镓以及磷化铟的TCE值，而有机印制电板路材料的TCE值都比Si、砷化镓高 出很多。图4：用于IC制造、封装和连接材料的TCE与矽和砷化镓的TCE值相接近的材料，可以减小机械应力、而可以应用在尺寸较大的芯 片，不必使用有机叠层。减小热不匹配性还可以增强机械的整体性，降低温度特性的变化， 以及增加类比、数码和光学、电子技术的集成能力。图5 则是比较了陶瓷和有机印制电路板材料的热导率。可以发现，陶瓷材料的热导率都 很高，其中氧化铝基板的热导率是PCB有机材料的100倍，LTCC材料的热导率是有机叠层 的 20 倍。热导率越高，可以简化散热设计，进而提高电路的寿命和可靠性。目前有许
13、多光 学元件要求气密性封装且热性能好，但传统的气密性封装技术成本相当高，而要结合陶瓷材 料的低温共烧技术，具有成本低廉的优势，可以取代传统的气密性封装，并达到高可靠性。图5：陶瓷和有机PCB材料的导热率LTCC 需面对的问题制作生产过程中，还必须注意的要点包括了，必须在900r以下的温度下烧结成致密、无气孔的结构；致密化温度不能太低，以免阻止银浆材料和有机物的排出；加入适当有机材 料后可流延成均匀、光滑、有一定强度表面。但是就基板材料而言，LTCC技术并非是业者唯一的选择，由于LTCC是利用烧结陶瓷材 料制作，所以耐冲击的能力上也就出现了一些问题，例如基板太薄时容易破裂等，但是为了 提高抗冲击
14、而将基板面积做得较小时，那么被设计在其中的元件数量也就随之减少。例如， 当客户要求元件不得超过1.2平方毫米时,封装生产业者或许就会选择高介电常数或Q值的 塑料材料。另外对于产品而言，是否需要如此小的模块面积，也是产品客户的考量，就像在目前面 积约为3.2平方毫米的GSM手机天线开关模块中，就包括了 34个RF滤波器、阻抗匹配电路 及其它功能的几十个零组件。但是，产品客户未必会花费更多的成本来采用LTCC 封装技术， 让模块的尺寸再缩小到2平方毫米以内，因为，这与客户所考量的价值性息息相关，与其花 费较多的成本只缩小了接近一半模块的面积，倒不如利用这些成本来提高手机的功能性。LTCC已被积极的
15、应用在各领域由于LTCC是以陶瓷为介电材料，具有高Q值与高频的特性，因而非常适用于高频通讯 模块中，LTCC主要用于手机通讯、蓝芽（Bluetooth）、无线网络（WLAN）与全球卫星定位 系统（GPS）的产品中。目前通讯产品中运用LTCC技术制作的整合型元件有功率放大器、天 线、滤波器等。以手机为例，目前每个手机中约有200个以上的被动元件，因此被动元件的小型化决定 了手机的轻薄，这样的需求推动了被动电子陶瓷元件的小型化、积集化。因此使用多元复合、 集成化被动元件，使缩小手机体积尺寸，并提高元件密度的最佳解决方案。因此，多层陶瓷 元件正由单一元件朝向复合多元、高集成化趋势发展。过去，LTCC较常被应用在手机中射频的基板上，利用LTCC技术可以将包括AP、滤波器、微 带滤波器、多层天线等等10多个元件整合在几公厘平方的封装之中。以滤波器为例，由LTCC 制成的滤波器，频率可以从数十MHz直到5.8GHz，再加上LTCC滤波器在体积、价格和温度 稳定性等方面有其优势性，所以已经被广泛的使用。另外一些包括收发前端模块、功率模块和蓝芽模块等，也已成功开发利用LTCC技术将芯片 与被动元件积集于同一基板上。但是，随著加入者数量陆续增加，让市场产生了激烈竞争的现象，
