LTCC：電子器件模塊化介紹

隨著通信、電腦及其周邊產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)式的生產工藝允許對生坯基板進行檢查，從而提高成品率，降低生產成本。

　　LTCC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 　　早期通信產品內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和銷售。我國內地在2003年才從展覽會和網頁上看到，南玻電子公司和另一家公司著手開發(fā)類似產品。

　　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，已經有多種LTCC模塊商業(yè)化生產和應用。僅生產手機天線開關模塊(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。 國產化成為LTCC器件發(fā)展契機 　　國內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和藍牙等通信產品，除40多兆的無繩電話外，這幾類產品在國內是近5年才發(fā)展起來的。國內的終端產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。前幾年終端產品生產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化。隨著終端產品產能過剩，價格和成本競爭將日趨激烈，元器件的國產化必將提上議事日程，這將為國內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，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的經驗，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)，似有退出生帶生產之勢，不知是否代表一種趨勢。

　　國內目前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，尚未到批量生產的程度。國內現(xiàn)在亟須開發(fā)出系列化的、最好有自主知識產權的LTCC用陶瓷粉料，專業(yè)化的生產系列化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。國內目前尚沒有生產廠可制造與LTCC有關的成型設備。據不完全統(tǒng)計，國內南玻電子引進了一條完整的LTCC生產線，另外約有4家研究所已經或正在引進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。