淺談LTCC技術(shù)在高密度封裝中的應(yīng)用

LTCC技術(shù)是上世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的一種新型多層基板工藝技術(shù)，采用了獨特的材料體系，故其燒結(jié)溫度低，可與金屬導(dǎo)體共燒，從而提高了電子器件性能。上世紀(jì)90年代開始，日本和美國的 NEC、富士通、IBM、村田等公司將LTCC技術(shù)成功引入通訊商業(yè)應(yīng)用，LTCC開始朝向移動通訊和高頻微波應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，今天我們來聊一下它的應(yīng)用。

根據(jù)產(chǎn)品在電路中起到的作用，LTCC產(chǎn)品可以大致分為LTCC元件、LTCC封裝基板、LTCC功能器件和LTCC集成模塊等四種。

LTCC元件

利用LTCC技術(shù)生產(chǎn)的元器件在移動通信設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。例如：手機(jī)、WLAN、藍(lán)牙、功率放大器、汽車電子等。從20世紀(jì)90年代開始，相關(guān)的LTCC產(chǎn)品逐漸得到應(yīng)用，其推廣應(yīng)用主要歸功于航空航天和通信領(lǐng)域的快速發(fā)展。其產(chǎn)品種類眾多，囊括了濾波器、雙工器、巴倫、耦合器、收發(fā)開關(guān)功能模塊、功分器以及共模扼流圈等。

在高密度封裝中的應(yīng)用

1、應(yīng)用于航空、航天及軍事領(lǐng)域

LTCC 技術(shù)最先是在航空、航天及軍事電子裝備中得到應(yīng)用的。美國羅拉公司的太空系統(tǒng)部門（Space System/LoralInc.）利用 LTCC 的技術(shù)研制成衛(wèi)星控制電路組件。它使用 9 層導(dǎo)體，金屬線寬和線間距為 125 μm，生坯材料為杜邦公司的 A951，該產(chǎn)品通過嚴(yán)酷的航天校準(zhǔn)試驗。美國 Raytheon、Westinghouse 和 Honeywell 等公司都擁有 LTCC 設(shè)計與制造技術(shù)，并研制出了多種可用于導(dǎo)彈、航空和宇航等電子裝置的 LTCC 組件或系統(tǒng)。

2、應(yīng)用于 MEMS、驅(qū)動器和傳感器等領(lǐng)域

LTCC 可以通過內(nèi)埋置電容、電感等形成三維結(jié)構(gòu)，從而大大縮小電路體積。因此，在射頻電路的驅(qū)動器、高頻開關(guān)等高性能器件中，三維結(jié)構(gòu)電路得以大量應(yīng)用，以適應(yīng)目前對該類電路體積和性能的要求。

3、應(yīng)用在汽車電子等領(lǐng)域

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代汽車的控制已開始邁入電子化和信息時代，但是一般的電路系統(tǒng)無法完全安裝在駕駛室內(nèi)，加之許多控制電路又必須與被控制的系統(tǒng)放在一起，置于引擎蓋的下方，而一般引擎附近的溫度為 130～500 ℃，因此要求電路板必須能夠耐受高溫、高濕的工作環(huán)境，還必須具有很高的工作可靠性。由于 LTCC具有眾多優(yōu)良的特性，在國外已被列為制作汽車電子電路的重要技術(shù)。美國通用汽車的子公司 DelcoElectronics 利用 LTCC 技術(shù)制作了引擎控制模塊，意大利的 Magneti Marelli‘s Electronics 公司制作了汽車油閥控制模塊，其中包括 MOSFET 及功率 MOS 器件集成在內(nèi)。

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(zhì)濾波器和雙工器。GSM和CDMA手機(jī)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(jī)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(lán)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(jī)，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。

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(jié)溫度在1500℃以上，與之匹配的難熔金屬如鎢、鉬/錳等導(dǎo)電性能較差，燒結(jié)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(jī)基板材料可更好地控制精度。沒有任何有機(jī)材料可與LTCC基板的高頻性能、尺寸和成本進(jìn)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(yīng)用。僅生產(chǎn)手機(jī)天線開關(guān)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。此外還有NEC、村田和愛立信等公司的藍(lán)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(jié)構(gòu)緊湊、耐機(jī)械沖擊和熱沖擊性強(qiáng)，在軍工和航天設(shè)備上受到極大關(guān)注和廣泛應(yīng)用，今后其在汽車電子上的應(yīng)用將會非常廣泛。

在天線中的應(yīng)用

1、5G陣列天線

隨著5G通信頻率的升高，天線和射頻模組尺寸會更小、集成度更高。當(dāng)工作頻率≥30 GHz時，天線尺寸將減小至毫米級甚至更小的級別，此時天線的設(shè)計方案將由現(xiàn)有的單體天線改為陣列天線，LTCC有望成為5G天線的核心集成技術(shù)。

2、超寬帶LTCC天線

LTCC的多層貼片結(jié)構(gòu)能夠有效拓寬天線的帶寬，用以制備相對帶寬≥20%的超寬帶天線。同時，LTCC 還能夠?qū)⒔邮?a href="http://ttokpm.com/v/tag/137/" target="_blank">芯片和超寬帶天線集成于LTCC模塊中，為超大規(guī)模集成電路用超寬帶收發(fā)裝置的研制提供單模塊設(shè)計及制作方案。

3、Wifi/Bluetooth天線

Wifi和藍(lán)牙設(shè)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，但對天線占PCB的面積和成本有較高的要求，LTCC技術(shù)有望廣泛用于Wifi/Bluetooth天線。

4、GPS天線

GPS陶瓷天線分為塊狀陶瓷天線和多層陶瓷天線，LTCC天線屬于多層陶瓷天線。移動通信設(shè)備的發(fā)展，使得GPS天線向小型化、多頻段和抗干擾的方向發(fā)展。利用陶瓷材料的高介電常數(shù)和高Q值，能夠有效減少天線的體積；結(jié)合LTCC多層結(jié)構(gòu)的特點，能在尺寸縮小的同時，保持天線帶寬和增益不受影響，實現(xiàn)多頻GPS天線的設(shè)計和制作。

5、多頻段LTCC天線

LTCC天線可通過多種技術(shù)手段實現(xiàn)天線的多頻化，除了在單天線結(jié)構(gòu)中加載可調(diào)容感以及加載不同長度枝節(jié)的方法之外，常采用多天線結(jié)構(gòu)來設(shè)計LTCC多頻天線。曲折型天線可通過多層疊層形式，每層天線實現(xiàn)一個諧振頻率；螺旋天線可通過不同長度的螺旋線相互纏繞實現(xiàn)多螺旋結(jié)構(gòu)；貼片天線可在不同層之間，采用多個諧振貼片結(jié)構(gòu)，構(gòu)成多頻點諧振。借由LTCC天線結(jié)構(gòu)的這一特征，可設(shè)計、制造雙頻/多頻GPS和Wifi天線。

6、RFID天線

LTCC高介電常數(shù)、低損耗、性能穩(wěn)定和易于實現(xiàn)混合集成等特性，可滿足RFID微型片式天線的微型化和高增益要求，并具有全向性好、阻抗匹配、讀取距離遠(yuǎn)等優(yōu)點，使RFID的應(yīng)用前景更廣闊。

7、NFC天線

NFC天線用鐵氧體膜片通常采用LTCC技術(shù)制備，將多層流延制得的鐵氧體生帶疊成具有一定厚度的鐵氧體膜片。而近年來興起的貼片式NFC天線，可利用LTCC技術(shù)進(jìn)行層間線圈繞制和多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分利用鐵氧體芯片的空間，有效減小天線尺寸。

8、集成化封裝天線

封裝天線技術(shù)是過去20年來為適應(yīng)系統(tǒng)級無線芯片出現(xiàn)而發(fā)展起來的集成天線解決方案，它將天線與射頻收發(fā)系統(tǒng)集成為一體，構(gòu)成一個標(biāo)準(zhǔn)的表面貼裝器件。LTCC是目前封裝天線的主流技術(shù)方案，可將天線集成于天線-芯片系統(tǒng)中，使整個系統(tǒng)獲得更高的集成度，并提高系統(tǒng)的性能，比如提高增益和展寬帶寬。

編輯：黃飛