低温共烧陶瓷技术发展现状及趋势

周　琪

摘要：低温共烧陶瓷（LTCC）技术是近年发展起来的令人瞩目的电路封装技术，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型电子元器件产业的经济增长点。本文论述了LTCC技术特点、LTCC材料和器件的研究现状以及未来发展趋势。

关键词：低温共烧陶瓷技术（LTCC）；电路封装；无源集成；发展现状；趋势

1概述

低温共烧陶瓷技术（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）是美国休斯公司于1982年开发的新型电子封装技术，该技术是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生料带，在生料带上利用激光打孔、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，并将多个无源元件(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。

LTCC技术具有如下优点：陶瓷材料具有优良的高频高Q特性，使用频率可高达几十GHz；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；可以制作线宽小于50μm的细线结构电路；可适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板更优良的热传导性；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；可以制作层数很高的电路基板，并可将多个无源元件埋入其中，有利于提高电路的组装密度；能集成的元件种类多、参量范围大，除电感器/电阻器/电容器外，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；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；可靠性高，耐高温、高湿、冲振，可应用于恶劣环境；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。

2LTCC技术的材料、设计和设备

LTCC技术的开发与应用，必须兼顾材料、设计及工艺设备三个方面。

2.1 材料

LTCC产品的性能完全依赖于所选用材料的性能。目前使用的能够实现低温烧结的陶瓷材料主要包括微晶玻璃体系、玻璃+陶瓷复合体系和非晶玻璃体系。其中微晶玻璃系和玻璃+陶瓷复合体系是近年来人们研究的重点，开发出了(Mg，Ca)TiO3系、BaO-TiO2系、ZnO-TiO2系、BaO-Nd2O3-TiO2系、(Zr，Sn)TiO3系、(Ba，Nb)TiO3系以及硼硅酸盐系等许多LTCC材料体系。

低介电常数LTCC材料目前面临的主要问题是高性能(低介电常数、低介电损耗、高机械强度)和低烧结温度的矛盾。由于这一矛盾的存在，现有的商用LTCC材料系统均很难进行掺杂改性以获得具有性能系列化的材料。

LTCC基板材料研究的一个热点问题就是LTCC基板材料与异质材料共烧匹配性问题。一般LTCC材料的收缩率大约为15%～20%，在应用于高性能系统时，必须严格控制其收缩行为，获得在X-Y方向零收缩率的材料。LTCC材料共烧匹配性的研究还包括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，也就是解决基板与导体浆料之间烧结收缩率、致密化速度和致密化完成温度相匹配的问题。

目前，国际上有DuPont、Ferro和Heraeus三家提供数种介电常数小于10的生料带，国内开发LTCC器件的研究所也都在采用这些生料带。这些生料带存在两个问题：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，这些生料带开发商并无实际使用生料带进行设计和生产的经验，比较注重生料带与银浆料的匹配性和工艺性能，对于设计对生料带的要求的掌握并不详尽。表1为典型LTCC生料带性能。

国内目前LTCC材料基本有两个来源，一是购买国外生料带，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。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、电子科技大学等单位正在实验室开发LTCC用陶瓷粉料，但尚未达到批量生产的程度。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用陶瓷生料带，为LTCC器件的开发奠定基础。

2.2 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。据报道香港青石集成微系统公司(CiMS)采用先进的电磁场模拟优化软件设计了多款LC滤波器和模块，取得了良好的效果。由电磁场模拟设计软件可对生料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。

2.3 工艺设备

LTCC器件的显著优点之一是其一致性好、精度高。LTCC基板(带埋置型元件)的工艺流程如下：生料带→切片→预处理→冲片→打孔→通孔填充→印制导线→印制电极→印制无源元件→检验→叠片→热压→排胶→烧结→LTCC基板。图1是低温共烧多层陶瓷基板的工艺流程。

LTCC基板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。国内有军工单位已经或正在引进LTCC中试设备，开发LTCC模块。LTCC设备的关键是其精度和自动控制程度。

3LTCC应用现状

3.1在高密度封装中的应用。

LTCC在现代封装技术中有很大的用途，目前应用领域主要有以下三个方面：

（1）应用于航空、航天及军事领域，LTCC技术最先是在航空、航天及军事电子装备中得到应用的。美国雷声公司、西屋公司和霍尼伟尔公司都拥有LTCC 设计与制造技术，并研制出了多种可用于导弹、航空和宇航等电子装置的LTCC组件或系统。（2）应用于MEMS、驱动器和传感器等领域，LTCC可以通过内埋置电容、电感等形成三维结构，从而大大缩小电路体积。（3）应用在汽车电子等领域，现代汽车的控制已迈入电子化和信息时代，在国外LTCC技术已被列为制作汽车电子电路的重要技术。

3.2在微波无源元件中的应用。

LTCC器件按其所包含的元件数量和在电路中的作用，大体可分为高精度片式元件、LTCC无源集成器件、LTCC无源集成基板和LTCC功能模块。高精度片式元件主要包括高精度片式电感器、电阻器、片式微波电容器等，以及这些元件的阵列。LTCC无源集成功能器件包括片式射频无源集成组件，如LC滤波器及其阵列、定向耦合器、功分器、功率合成器、天线、延迟线、衰减器，共模扼流圈及其阵列等。利用LTCC技术制成的LC滤波器包括带通、高通和低通三种，频率可从数十MHz到5.8GHz。采用LTCC无源集成器件，可以提高器件的集成密度，减小器件体积。

LTCC无源集成基板主要包括蓝牙模块基板、手机前端模块基板等，再集成其他功能器件，就可得到如蓝牙模块、手机前端模块、天线开关模块、功放模块等LTCC功能模块。由于电子工业向高集成化发展，所以各种LTCC功能模块的研制已经成为人们研究的焦点。蓝牙技术和模块的不断更新，有力地推动了LTCC技术的发展。

4发展趋势

4.1 LTCC产品标准化是未来发展主要方向。

通讯系统的射频线路包含许多组件，各家LTCC厂商采用的集成方式也不尽相同。以手机射频模块为例，线路组件主要分成天线传送/接收开关、SAW滤波器、低噪声放大器、功率放大器、收发器及振荡器等，在LTCC发展的策略上有的厂商整合天线与低噪声放大器等成为前端组件FEM，有的厂商则整合天线及功率放大器等成为功率开关组件PSM。由于下游客户在设计PCB板时必须根据不同的模块做不同的设计，因此非标准化的模块不但会增加成本，且在零件采购上可能受制于单一LTCC组件厂商。由此可知，LTCC组件市场若要大幅成长，产品规格的标准化将是厂商间必须尽快协调的重要课题。

4.2 LTCC组件将继续向模块小型化及系统高频化方向发展。

随着无线手持式消费产品快速成长，体积要求继续减小；加上无线通讯系统工作频率持续提升，组件的高频特性也越重要。LTCC组件模块的小型化必须通过增加陶瓷板层数、减少陶瓷板厚度、通孔成型及线路网版印刷微细化等技术来实现。而组件高频特性除了靠调制低介电常数、高Q的陶瓷材料之外，同时以内部线路的设计来降低EMI干扰。未来LTCC组件的小型化及高频化必须依赖于上游材料、工艺技术及线路设计能力之提升来实现。

4.3 LTCC无源器件高密度集成化。

在未来几年，LTCC无源器件的高密度集成将进一步快速发展，由数百乃至数千个无源器件构成的毫米波无源集成器件，如x波段的128单元的平面天线阵等。细线技术也将成为共烧陶瓷的发展趋势，未来的目标是使导电带的宽度和间距＜25微米。随着细线技术的发展，这个目标将会达到。

5结束语

LTCC技术最早由美国开始发展，初期应用于军用产品；后来陆续有欧洲厂商将其引入车用市场；尔后再由日本厂商将该其应用于信息产品之中。在全球LTCC市场占有率前9大厂商之中，日本厂商计有Murata、Kyocera、TDK及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，在产品性能、专利技术、材料及规格主动权等方面均比国内厂商具有更有利的地位。我国LTCC产品技术的开发比国外发达国家至少落后5～10年，特别在LTCC材料及其配套浆料方面差距更大，加速发展我国LTCC技术将对我国的电子工业振兴具有重要意义。

随着LTCC所用陶瓷和浆料低温烧结化的深入研发，LTCC基板在芯片封装中的应用日渐广泛，其封装结构紧凑、体积小、重量轻、性能好、可靠性高的特点突显，技术研发和市场需求紧密结合，已成为微电子产业兵家必争之地。LTCC是器件封装及模块化的首选，同时也是发展毫米波及微波IC与光电子器件的当务之急，低成本国产化有很大发展机遇。