低溫共燒陶瓷(LTCC)技術新進展

低溫共燒陶瓷(LTCC)技術新進展

LTCC產業(yè)概況
隨著微電子信息技術的迅猛發(fā)展,電子整機在小型化、便攜式、多功能、數字化及高可靠性、高性能方面的需求,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。低溫共燒陶瓷技術（low temperature cofired ceramic LTCC）是近年來興起的一種相當令人矚目的多學科交叉的整合組件技術,以其優(yōu)異的電子、機械、熱力特性已成為未來電子元件集成化、模組化的首選方式,廣泛用于基板、封裝及微波器件等領域。TEK的調查資料顯示,2004～2007年間全球LTCC市場產值呈現快速成長趨勢。表1給出過去幾年全球LTCC市場產值增長情況。

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???????????????????????????????????????????????????????????????? 表1 過去幾年全球LTCC市場產值增長情況

LTCC技術最早由美國開始發(fā)展,初期應用于軍用產品,后來歐洲廠商將其引入車用市場,而后再由日本廠商將其應用于資訊產品中。目前,LTCC材料在日本、美國等發(fā)達國家已進入產業(yè)化、系列化和可進行材料設計的階段。在全球LTCC市場占有率九大廠商之中,日商有Murata,Kyocera,TDK和Taiyo Yuden;美商有CTS,歐洲商有Bosch, CMAC,Epcos及Sorep-Erulec等。國外廠商由于投入已久,在產品質量,專利技術、材料掌控及規(guī)格主導權等均占有領先優(yōu)勢。圖1給出全球LTCC廠商市場占有情況。而國內LTCC產品的開發(fā)比國外發(fā)達國家至少落后五年,擁有自主知識產權的材料體系和器件幾乎是空白。國內目前LTCC陶瓷材料基本有兩個來源：一是購買國外陶瓷生帶;二是LTCC生產廠從陶瓷材料到生帶自己開發(fā)。隨著未來LTCC制品市場中運用LTCC制作的組件數目逐漸被LTCC模塊與基板所取代,終端產品產能過剩,價格和成本競爭日趨激烈,元器件的國產化必將提上議事日程,這為國內LTCC產品的發(fā)展提供了良好的市場契機。中國在LTCC市場占據一定份額的是疊層式電感器和電容器生磁帶。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,但還尚未到批量生產的程度。南玻電子公司正在用進口粉料,開發(fā)出介電常數為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,為不同設計、不同工作頻率的LTCC產品的開發(fā)奠定了基礎。國內現在急需開發(fā)出系列化的、擁有自主知識產權的LTCC 瓷粉料,并專業(yè)化生產LTCC用陶瓷生帶系列,為LTCC產業(yè)的開發(fā)奠定基礎。
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????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 圖1全球LTCC廠商市場占有情況?
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LTCC的技術特點
LTCC技術是于1982年休斯公司開發(fā)的新型材料技術,是將低溫燒結陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶,在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形,并將多個被動組件（如低容值電容、電阻、濾波器、阻抗轉換器、耦合器等）埋入多層陶瓷基板中,然后疊壓在一起,內外電極可分別使用銀、銅、金等金屬,在900℃下燒結,制成三維空間互不干擾的高密度電路,也可制成內置無源元件的三維電路基板,在其表面可以貼裝IC和有源器件,制成無源/有源集成的功能模塊,可進一步將電路小型化與高密度化,特別適合用于高頻通訊用組件。

LTCC工藝流程見圖2。圖3為典型的LTCC基板示意圖,由此可知,采用LTCC工藝制作的基板具有可實現IC芯片封裝、內埋置無源元件及高密度電路組裝的功能。?
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?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 圖2 LTCC工藝流程圖?
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???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 圖?3 LTCC基板

與其它集成技術相比,LTCC具有以下特點：

a.根據配料的不同,LTCC材料的介電常數可以在很大范圍內變動,增加了電路設計的靈活性;

b.陶瓷材料具有優(yōu)良的高頻、高Q特性和高速傳輸特性;

c.使用高電導率的金屬材料作為導體材料,有利于提高電路系統(tǒng)的品質因數;

d.制作層數很高的電路基板,易于形成多種結構的空腔,內埋置元器件,免除了封裝組件的成本,減少連接芯片導體的長度與接點數,并可制作線寬小于50μm的細線結構電路,實現更多布線層數,能集成的元件種類多,參量范圍大,易于實現多功能化和提高組裝密度;

e.可適應大電流及耐高溫特性要求,具有良好的溫度特性,如較小的熱膨脹系數,較小的介電常數穩(wěn)定系數。LTCC基板材料的熱導率是有機疊層板的20倍,故可簡化熱設計,明顯提高電路的壽命和可靠性;

f.與薄膜多層布線技術具有良好的兼容性,二者結合可實現更高組裝密度和更好性能的混合多層基板和混合型多芯片組件;

g.易于實現多層布線與封裝一體化結構,進一步減小體積和重量,提高可靠性、耐高溫、高濕、沖振,可以應用于惡劣環(huán)境;

h.非連續(xù)式的生產工藝,便于基板燒成前對每一層布線和互連通孔進行質量檢查,有利于提高多層基板的成品率和質量,縮短生產周期,降低成本。表1給出集成電路中常用的幾種基板性能比較。

LTCC技術由于自身具有的獨特優(yōu)點,在軍事、航天、航空、電子、計算機、汽車、醫(yī)療等領域均獲得了越來越廣泛的應用?

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???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 表2 集成電路常用基板性能比較

LTCC陶瓷材料
LTCC產品性能好壞完全依賴所用材料的性能。LTCC陶瓷材料主要包括,LTCC 基板材料、封裝材料和微波器件材料。介電常數是LTCC材料最關健的性能。要求介電常數在2～20000范圍內系列化以適用于不同的工作頻率。例如相對介電常數為3.8的基板適用于高速數字電路的設計;相對介電常數為6～80的基板可很好地完成高頻線路的設計;相對介電常數高達20000的基板,則可以使高容性器件集成到多層結構中。高頻化是數位3C產品發(fā)展比然的趨勢,發(fā)展低介電常數（ε≤10）的LTCC材料以滿足高頻和高速的要求是LTCC材料如何適應高頻應用的一個挑戰(zhàn)。FerroA6和DuPont的901系統(tǒng)介電常數為5.2～5.9,ESL公司的4110-70C為4.3～4.7,NEC公司LTCC基板介電常數為3.9左右,介電常數低達2.5的正在開發(fā)。

諧振器的尺寸大小與介電常數的平方根成反比,因此作為介質材料時,要求介電常數要大,以減小器件尺寸。目前,超低損耗的極限或超高Q值、相對介電常數（>100）乃至>150的介質材料是研究的熱點。需要較大電容量的電路,可以采用高介電常數的材料,也可在LTCC介質陶瓷基板材料層中夾入有較大介電常數的介質材料層,其介電常數可在20～100之間選擇。介電損耗也是射頻器件設計時一個重要考慮參數,它直接與器件的損耗相關,理論上希望越小越好。目前,生產用于射頻器件的LTCC材料主要有DuPont(951 ,943）,Ferro（A6M,A6S）,Heraeus（CT700,CT800和CT2000)和Electro-science Laboratories。他們不僅可以提供介電常數系列化的LTCC生瓷帶,而且也提供與其相匹配的布線材料。
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材料的許多熱機械性能也是影響LTCC器件可靠性的一個主要因素,其中最關健的是熱膨脹系數,應盡可能與其要焊接的電路板相匹配。圖4是IC封裝的各材料的熱膨脹系數。LTCC、氧化鋁和其他陶瓷材料的TCE接近Si、砷化鎵及磷化銦的TCE值,從而可以減小機械應力,應用在大尺寸的晶片上不需要使用有機疊層。同時,減小熱不匹配性可以增強機械的整體性,降低溫度特性的變化,以及增加數位、光學和電子技術的集成能力。
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????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 圖4用于IC制造、封裝何連接材料的TCE
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諧振頻率的溫度系數（τf）盡可能的小,大約在10－6數量級,最好為零。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。表3為一些公司的LTCC材料性能。

目前,LTCC陶瓷材料主要是兩個體系,即“微晶玻璃”系和“玻璃+ 陶瓷”系。采用低熔點氧化物或低熔點玻璃的摻雜可以降低陶瓷材料的燒結溫度,但是降低燒結溫度有限,而且不同程度會損壞材料性能,尋找自身具有燒結溫度低的陶瓷材料引起研究人員的重視。此類材料,正在開發(fā)的主要品種為硼酸錫鋇（BaSn(BO3)2）系和鍺酸鹽和碲酸鹽系、 BiNbO4系、Bi203-Zn0-Nb205系、ZnO-TiO2系等陶瓷材料。近年來,清華大學周濟課題組一直致力于這方面的研究。?
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?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 表3一些公司的低溫共燒介質材料性能

LTCC材料研究中的另一個熱點問題就是共燒材料的匹配性。將不同介質層（電容、電阻、電感,導體等）共燒時,要控制不同界面間的反應和界面擴散,使各介質層的共燒匹配性良好,界面層間在致密化速率、燒結收縮率及熱膨脹速率等方面盡量達到一致,減少層裂、翹曲和裂紋等缺陷的產生。

一般說了,利用LTCC技術的陶瓷材料收縮率大約為15～20％左右。若兩者燒結無法匹配或兼容,燒結之后將會出現界面層分裂的現象;如果兩種材料發(fā)生高溫反應,其生成的反應層又將影響原來各自材料的特性。對于不同介電常數和組成的兩種材料的共燒匹配性以及如何減少相互間的反應活性等是研究的重點。在LTCC應用于高性能系統(tǒng)時,對收縮行為的嚴格控制關鍵在于對LTCC共燒體系燒結收縮率的控制,LTCC共燒體系沿X-Y方向的收縮一般為12％～16％。借助無壓燒結或助壓燒結技術,獲得沿X-Y方向零收縮率的材料燒結時,在LTCC共燒層的頂部和下部放置于壓片作為收縮率控制層。借助控制層與多層之間一定的粘結作用及控制層嚴格的收縮率,限制了LTCC結構沿X、Y方向的收縮行為。為了補充基板沿X-Y方向的收縮損失,基板將沿Z方向進行收縮補償。結果,LTCC結構在X、Y方向上的尺寸變化只有0.1％左右,從而保證了燒結后,布線及孔的位置和精度,保證了器件的質量。

Dupont公司研發(fā)的控制收縮燒結技術已應用于60％LTCC基板和30％的LTCC電路產品中。圖5為Dupont公司的控制收縮技術,表4給出相應的性能。?
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??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 圖5 Dupont公司的控制收縮技術?

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??????????????????????????????????????????????????????????????????????? 表 4 Dupont公司的控制收縮技術性能參數

目前,如果實現基片與布線共燒時的收縮率及熱膨脹系數匹配問題是重要挑戰(zhàn),它關系到多層金屬化布線的質量。LTCC共燒時,基片與漿料的燒結特性不匹配主要體現在三個方面：燒結致密化完成溫度不一致;基片與漿料的燒結收縮率不一致;燒結致密化速度不匹配。這些不匹配容易導致燒成后基片表面不平整、翹曲、分層。不匹配的另一個后果是金屬布線的附著力下降。Heraeus公司由于推出HeraLock tape系統(tǒng)而排名第一。這種LTCC材料和銀導線完全和目前LTCC工藝兼容,在X-Y方向上有小于0.2%的收縮,收縮的變化量小于0.014%。對于傳統(tǒng)材料,8英寸的薄片在邊緣就會有8-mil配準誤差。這種新的材料,配準誤差小于0.5mil。Heraeus公司已推出零收縮的CT800系列產品。

LTCC器件
LTCC器件按其所包含的元件數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屬于高新科技的前沿產品,廣泛應用于微電子工業(yè)的各個領域,具有十分廣闊的應用市場和發(fā)展前景。目前LTCC 技術已經進入更新的應用階段,包括無線區(qū)域網絡、地面數位廣播、全球定位系統(tǒng)接收器組件、數位信號處理器和記憶體等及其他電源供應組件甚至是數位電路組件基板。例如,村田、三菱電工、京瓷、TDK、Epcos、日立、Avx等十多家開發(fā)的手機無線開關組件,NEC、村田和和易利信等開發(fā)的藍牙組件都是由LTCC技術制成的。此外,LTCC組件因其結構緊湊,高耐熱和耐沖擊性,目前在軍工和航天設備中廣泛應用,預計未來在汽車電子系統(tǒng)上的應用也會非常普遍。CTS 公司已經宣布將為汽車電子市場提供低溫燒結陶瓷(LTCC)電路板。圖6為目前LTCC器件應用領域所占比例。?
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???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? ? 圖6?? LTCC器件應用領域所占比例

現在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（圖6a）。由LTCC制成的濾波器包括帶通、高通和低通濾波器三種,頻率則從數十MHz直到5.8GHz。NTT未來網絡研究開發(fā)出天線一體型60GHz頻帶LTCC發(fā)送模塊（圖6b）,其特點是將天線嵌入到LTCC底板中。模塊在外形尺寸為12mm