LTCC電子器件模塊化簡介
隨著通信、電腦及其周邊產(chǎn)品和家用電器不斷向高頻化、數(shù)字化方向發(fā)展,對元器件的小型化、集成化以至模塊化要求愈來愈迫切。有人曾夸張地預言,以后的電子工業(yè)將簡化為裝配工業(yè)———把各種功能模塊組裝在一起即可。LTCC(低溫共燒陶瓷)以其優(yōu)異的電學、機械、熱學及工藝特性,將成為未來電子器件集成化、模塊化的首選方式,在國外及我國臺灣省發(fā)展迅猛,已初步形成產(chǎn)業(yè)雛形。 LTCC應用日漸廣泛 利用LTCC制備片式無源集成器件和模塊具有許多優(yōu)點,首先,陶瓷材料具有優(yōu)良的高頻高Q特性;第二,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(tǒng)的品質因子;第三,可適應大電流及耐高溫特性要求,并具備比普通PCB電路基板優(yōu)良的熱傳導性;第四,可將無源組件埋入多層電路基板中,有利于提高電路的組裝密度;第五,具有較好的溫度特性,如較小的熱膨脹系數(shù)、較小的介電常數(shù)溫度系數(shù),可以制作層數(shù)極高的電路基板,可以制作線寬小于50μm的細線結構。另外,非連續(xù)式的生產(chǎn)工藝允許對生坯基板進行檢查,從而提高成品率,降低生產(chǎn)成本。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/260648.htmLTCC器件按其所包含的元件數(shù)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(chǎn)品內(nèi)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(xiàn)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(wǎng)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(shù)十MHz直到5.8GHz。LC濾波器在體積、價格和溫度穩(wěn)定性等方面有其無可比擬的優(yōu)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(shù)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(chǎn)和銷售。我國內(nèi)地在2003年才從展覽會和網(wǎng)頁上看到,南玻電子公司和另一家公司著手開發(fā)類似產(chǎn)品。
LTCC片式天線 WLAN和藍牙設備通信距離短,收發(fā)功率小,對天線的功率和收發(fā)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(yōu)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(yè)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(tǒng)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(shù)量級。PTFE的損耗較低,但絕緣性都較差。LTCC比大多數(shù)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。
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(jīng)有多種LTCC模塊商業(yè)化生產(chǎn)和應用。僅生產(chǎn)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。 國產(chǎn)化成為LTCC器件發(fā)展契機 國內(nèi)LTCC器件的開發(fā)比國外至少落后5年。這主要是由于電子終端產(chǎn)品發(fā)展滯后造成的。
LTCC功能器件和模塊主要用于GSM、CDMA和PHS手機、無繩電話、WLAN和藍牙等通信產(chǎn)品,除40多兆的無繩電話外,這幾類產(chǎn)品在國內(nèi)是近5年才發(fā)展起來的。國內(nèi)的終端產(chǎn)品為了盡快搶占市場,最初的設計方案大都是從國外買來的,甚至方案與元器件打包采購,其所購方案都選用了國外元器件。前幾年終端產(chǎn)品生產(chǎn)廠的主要目標是擴大市場份額,成本壓力不大,無法顧及元器件國產(chǎn)化。隨著終端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩,價格和成本競爭將日趨激烈,元器件的國產(chǎn)化必將提上議事日程,這將為國內(nèi)LTCC器件的發(fā)展提供良好的市場契機。
LTCC器件的開發(fā)與生產(chǎn),必須兼顧材料、設計及工藝與設備三個方面。
材料 LTCC器件對材料性能的要求包括電性能、熱機械性能和工藝性能三方面。
介電常數(shù)是LTCC材料最關健的性能。由于射頻器件的基本單元———諧振器的長度與材料的介電常數(shù)的平方根成反比,當器件的工作頻率較低時(如數(shù)百兆赫茲),如果用介電常數(shù)低的材料,器件尺寸將大得無法使用。因此,最好能使介電常數(shù)系列化以適用于不同的工作頻率。
介電損耗也是射頻器件設計時一個重要考慮參數(shù),它直接與器件的損耗相關。理論上希望越小越好。
介電常數(shù)的溫度系數(shù),這是決定射頻器件電性能的溫度穩(wěn)定性的重要參數(shù)。
為了保證LTCC器件的可靠性,在材料選擇時還必須考慮到許多熱機械性能。其中最關健的是熱膨脹系數(shù),應盡可能與其要焊接的電路板相匹配。此外,考慮到加工及以后的應用,LTCC材料還應滿足許多機械性能的要求,如彎曲強度σ、硬度Hv、表面平整度、彈性模量E及斷裂韌性KIC等等。
工藝性能大體可包括如下方面:第一,能在900℃以下的溫度下燒結成致密、無氣孔的顯微結構。第二,致密化溫度不能太低,以免阻止銀漿料和生帶中有機物的排出。第三,加入適當有機材料后可流延成均勻、光滑、有一定強度的生帶。
目前,國際上有duPont、Ferro和Heraeus三家提供數(shù)種介電常數(shù)小于10 的生帶,國內(nèi)開發(fā)LTCC器件的研究所也都在采用這些生帶。這些生帶存在兩個問題:首先,介電常數(shù)未系列化,不利于設計不同工作頻率的器件。第二,這些生帶開發(fā)商并無實際使用生帶進行設計和生產(chǎn)的經(jīng)驗,比較注重生帶與銀漿料的匹配性和工藝性能,對于設計對生帶的要求的掌握并不詳盡。Heraeus目前似乎更著重于銀漿和介電粉料的開發(fā),似有退出生帶生產(chǎn)之勢,不知是否代表一種趨勢。
國內(nèi)目前LTCC材料基本有兩個來源,一是購買國外生帶,二是器件生產(chǎn)廠從原料開發(fā)起。這些都不利于快速、低成本的開發(fā)出LTCC器件。因為,第一種方式會增加生產(chǎn)成本,第二種方式會延緩器件的開發(fā)時間。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(fā)LTCC用陶瓷粉料,尚未到批量生產(chǎn)的程度。國內(nèi)現(xiàn)在亟須開發(fā)出系列化的、最好有自主知識產(chǎn)權的LTCC用陶瓷粉料,專業(yè)化的生產(chǎn)系列化LTCC用陶瓷生帶,為LTCC器件的開發(fā)奠定基礎。南玻電子公司正在用進口粉料,開發(fā)出介電常數(shù)為9.1、18.0和37.4的三種生帶,厚度從 10μm到100μm,生帶厚度系列化,介電常數(shù)半系列化,為不同設計、不同工作頻率的器件開發(fā)奠定了基礎。
設計 LTCC器件的設計包括電性設計、應力設計和熱設計等諸多方面,其中以電性設計最為關鍵。由于LTCC器件中包括多個等效分立元件,互相間耦合非常復雜,工作頻率往往較高,更多的是采用電磁場而不是電路的概念。用過去的集總參數(shù)電路設計的方法是無法設計LTCC器件的。國內(nèi)尚未看到有關LTCC器件電性設計的報道,這大概是制約LTCC器件開發(fā)的另一個重要因素。香港青石集成微系統(tǒng)公司(CiMS)長期從事微波電磁場的研究與LTCC器件的設計,頗有造詣。CiMS采用先進的電磁場模擬優(yōu)化軟件為南玻電子設計了多款LC濾波器和模塊,取得了良好的效果。
由電磁場模似設計軟件可對生帶和銀電極的頻率響應、損耗等進行定量分析,從而指導實際研發(fā),縮短研發(fā)周期和成本。
工藝設備 LTCC器件的顯著優(yōu)點之一是其一致性好、精度高。而這完全有賴于所用材料的穩(wěn)定性和工藝設備的精度。國內(nèi)目前尚沒有生產(chǎn)廠可制造與LTCC有關的成型設備。據(jù)不完全統(tǒng)計,國內(nèi)南玻電子引進了一條完整的LTCC生產(chǎn)線,另外約有4家研究所已經(jīng)或正在引進LTCC中試設備,開發(fā)軍工用LTCC模塊。
LTCC設備的關健是其精度和自動控制程度。南玻電子每臺LTCC設備均是當今世界精度最高、全自動控制的。
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