EMI/EMC将成LTCC破局点

【赛迪网讯】低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic LTCC)技术是近年发展起来的令人瞩目的整合组件技术，已经成为无源元件领域的发展方向和新的元件产业的经济增长点。 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。 LTCC:元件集成化模组化首选 ■清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室 王悦辉 杨正文 王婷 沈建红 周济

随着电子整机在小型化、便携式、多功能、数字化及高可靠性、高性能方面的需求，对元器件的小型化、集成化以至模块化要求愈来愈迫切。低温共烧陶瓷技术(low temperature cofired ceramic，LTCC)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。LTCC以其优异的电子、机械、热力特性已成为未来电子元件集成化、模组化的首选方式，广泛用于基板、封装及微波器件等领域。
LTCC呈快速发展态势
TEK的调查资料显示，2004年～2007年间全球LTCC市场产值呈现快速成长趋势。LTCC技术最早由美国开始发展，初期应用于军用产品，后来欧洲厂商将其引入车用市场，而后再由日本厂商将其应用于资讯产品中。目前，LTCC材料在日本、美国等发达国家已进入产业化、系列化和可进行材料设计的阶段。在全球LTCC市场前九大厂商之中，日本厂商有Murata、Kyocera、TDK和Taiyo Yuden;美国厂商有CTS，欧洲厂商有Bosch、CMAC、Epcos及Sorep-Erulec等。国外厂商由于投入已久，在产品质量、专利技术、材料掌控及规格主导权等均占有领先优势。
国内LTCC产品的开发比国外发达国家至少落后5年，拥有自主知识产权的材料体系和器件几乎是空白。随着未来LTCC制品市场中运用LTCC制作的组件数目逐渐被LTCC模块与基板所取代，终端产品产能过剩，价格和成本竞争日趋激烈，元器件的国产化必将提上议事日程，这为国内LTCC产品的发展提供了良好的市场契机。
中国在LTCC市场占据一定份额的是叠层式电感器和电容器生磁带。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。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，为不同设计、不同工作频率的LTCC产品的开发奠定了基础。国内现在急需开发出系列化的、拥有自主知识产权的LTCC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。
LTCC器件应用广泛
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属于高新科技的前沿产品，广泛应用于微电子工业的各个领域，具有十分广阔的应用市场和发展前景。目前LTCC技术已经进入更新的应用阶段，包括无线局域网络、地面数字广播、全球定位系统接收器组件、数字信号处理器和记忆体等及其他电源供应组件甚至是数位电路组件基板。
例如，村田、三菱电工、京瓷、TDK、Epcos、日立、Avx等十多家开发的手机无线开关组件，NEC、村田等开发的蓝牙组件都是由LTCC技术制成的。此外，LTCC组件因其结构紧凑，高耐热和耐冲击性，目前在军工和航天设备中广泛应用，预计未来在汽车电子系统上的应用也会非常普遍。CTS公司已经宣布将为汽车电子市场提供低温烧结陶瓷(LTCC)电路板。
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。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10MHz直到5.8GHz。
NTT未来网络研究开发出天线一体型60GHz频带LTCC发送模块，其特点是将天线嵌入到LTCC底板中。模块在外形尺寸为12mm×12mm×1.2mm的LTCC底板中集成了带反射镜的天线、功率放大器(PA)、带通滤波器(BPF)和电压控制振荡器(VCO)等元件。布线层由0.1mm×6层和0.05mm×12层组成。从LTCC的介电常数来说，在εr=7.7和10GHz条件下tanδ=0.002。日本村田制作所及日立公司开发的射频前端分频器开关组件，已经成为GSM900MHz/1800MHz双频手机中不可缺少的关键组件。
蓝牙带动LTCC发展
蓝牙技术将会推动多层低温共烧器件及IC有源器件混合集成技术的又一次飞跃。NEC和日本Avionics两家公司共同开发成功世界上最小的蓝牙收发模块。该产品应用了电容器以及电感线圈元件形成的内层滤波器等高频电路设计技术。通过裸露芯片、CSP、0603型芯片等形成最小元件的高密度封装，使之成为包括封装在内的世界同类产品中体积最小的模块，重量为0.7g，可用于手机及其他便携式设备。另外，独立无源器件需求的持续增长也将推动LTCC技术的应用。而市场发展方向将是无源器件集成到可用于表面贴装的LTCC器件中。LTCC材料为MCM-C开辟了全新的领域。
在高频领域，许多以前采用MCM-D的公司已经纷纷开始采用LTCC材料及工艺制造MCM组件，以满足日益复杂的性能要求和低成本、高可靠性的要求。如爱立信公司研制的“蓝牙”中的射频通信MCM组件电路，其天线滤波及发射接收组件，均使用美国DuPont公司的LTCC材料及工艺，爱立信采用LTCC基板缩小封装面积60%。
LTCC功能组件和模块主要用于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四年才发展起来的。深圳南玻电子有限公司引进了目前世界上最先进的设备，建成了国内第一条LTCC生产线，开发出了多种LTCC产品并已投产，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，性能已达到国外同类产品水平，并已进入市场。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。集成混合电路设计主要包括电子科技大学、原电子部设计所为主，生产企业包括南虹公司、风华高科、三九胃泰和迅达电子有限公司，均引进美国AEM公司生产线或TDK生产线，近三年的生产量在10亿只/年，产值20亿元/年。
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LTCC的技术特点
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信用组件。采用LTCC工艺制作的基板具有可实现IC芯片封装、内埋置无源元件及高密度电路组装的功能。
LTCC技术由于自身具有的独特优点，在军事、航天、航空、电子、计算机、汽车、医疗等领域均获得了越来越广泛的应用。
共烧材料匹配：LTCC研发关注点
LTCC产品性能好坏完全依赖所用材料的性能。LTCC陶瓷材料主要包括，LTCC基板材料、封装材料和微波器件材料。
介电常数是LTCC材料关键指标

介电常数是LTCC材料最关健的性能。要求介电常数在2～20000范围内系列化以适用于不同的工作频率。例如相对介电常数为3.8的基板适用于高速数字电路的设计；相对介电常数为6～80的基板可很好地完成高频线路的设计；相对介电常数高达20000的基板，则可以使高容性器件集成到多层结构中。高频化是数字3C产品发展必然的趋势，发展低介电常数(ε≤10)的LTCC材料以满足高频和高速的要求是LTCC材料如何适应高频应用的一个挑战。FerroA6和DuPont的901系统介电常数为5.2～5.9，ESL公司的4110-70C为4.3～4.7，NEC公司LTCC基板介电常数为3.9左右，介电常数低达2.5的正在开发。
谐振器的尺寸大小与介电常数的平方根成反比，因此作为介质材料时，要求介电常数要大，以减小器件尺寸。目前，超低损耗的极限或超高Q值、相对介电常数(>100)乃至>150的介质材料是研究的热点。需要较大电容量的电路，可以采用高介电常数的材料，也可在LTCC介质陶瓷基板材料层中夹入有较大介电常数的介质材料层，其介电常数可在20～100之间选择。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。目前，生产用于射频器件的LTCC材料主要有DuPont(951，943)，Ferro(A6M，A6S)，Heraeus(CT700，CT800和CT2000)和Electro-science Laboratories。他们不仅可以提供介电常数系列化的LTCC生瓷带，而且也提供与其相匹配的布线材料。
热机械性能影响LTCC可靠性
材料的许多热机械性能也是影响LTCC器件可靠性的一个主要因素，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。LTCC、氧化铝和其他陶瓷材料的TCE接近Si、砷化镓及磷化铟的TCE值，从而可以减小机械应力，应用在大尺寸的晶片上不需要使用有机叠层。同时，减小热不匹配性可以增强机械的整体性，降低温度特性的变化，以及增加数位、光学和电子技术的集成能力。
谐振频率的温度系数(τf)尽可能的小，大约在10-6数量级，最好为零。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。
目前，LTCC陶瓷材料主要是两个体系，即“微晶玻璃”系和“玻璃+陶瓷”系。采用低熔点氧化物或低熔点玻璃的掺杂可以降低陶瓷材料的烧结温度，但是降低烧结温度有限，而且不同程度地会损坏材料性能，寻找自身具有烧结温度低的陶瓷材料引起研究人员的重视。此类材料，正在开发的主要品种为硼酸锡钡(BaSn(BO3)2)系和锗酸盐和碲酸盐系、BiNbO4系、Bi203-ZnO-Nb205系、ZnO-TiO2系等陶瓷材料。近年来，清华大学周济课题组一直致力于这方面的研究。
共烧材料的匹配是热点
Cu、Ni、Ag　LTCC材料研究中的另一个热点问题就是共烧材料的匹配性。将不同介质层(电容、电阻、电感、导体等)共烧时，要控制不同界面间的反应和界面扩散，使各介质层的共烧匹配性良好，界面层间在致密化速率、烧结收缩率及热膨胀速率等方面尽量达到一致，减少层裂、翘曲和裂纹等缺陷的产生。
一般说，利用LTCC技术的陶瓷材料收缩率大约为15%～20%左右。若两者烧结无法匹配或兼容，烧结之后将会出现界面层分裂的现象；如果两种材料发生高温反应，其生成的反应层又将影响原来各自材料的特性。对于不同介电常数和组成的两种材料的共烧匹配性以及如何减少相互间的反应活性等是研究的重点。
Dupont公司研发的控制收缩烧结技术已应用于60%LTCC基板和30%的LTCC电路产品中。
目前，如何实现基片与布线共烧时的收缩率及热膨胀系数匹配问题是重要挑战，它关系到多层金属化布线的质量。LTCC共烧时，基片与浆料的烧结特性不匹配主要体现在三个方面：第一，烧结致密化完成温度不一致；第二，基片与浆料的烧结收缩率不一致；第三，烧结致密化速度不匹配。这些不匹配容易导致烧成后基片表面不平整、翘曲、分层。不匹配的另一个后果是金属布线的附着力下降。Heraeus公司由于推出HeraLock tape系统而排名第一。这种LTCC材料和银导线完全和目前LTCC工艺兼容，在X-Y方向上有小于0.2%的收缩，收缩的变化量小于0.014%。对于传统材料，8英寸的薄片在边缘就会有8mil配准误差。这种新的材料，配准误差小于0.5mil。Heraeus公司已推出零收缩的CT800系列产品。(n101)

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