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    多层低温共烧陶瓷技术(LTCC),完美匹配高频通信需求
    2020年04月23日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:64
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    近半个世纪以来,半导体集成技术的迅猛发展使得人类进入了今天这个高度电子信息化的社会 。然而,半导体器件仅仅是电子元器件的一部分(主动元件,有源器件),另一部分用量巨大、种类繁多、功能各异的元器件是无源元件(被动元件,主要是电阻类、电感类和电容类元件),这些元件的核心材料是各类功能陶瓷材料 。

    随着微电子信息技术的迅猛发展,电子元件小型化、高度集成化及模块化的需求愈来愈迫切 。当前整机系统中,无源元件和有源器件的比例在20:1至100:1左右(来自今中佳彦先生06年专著的数据,仅供参考),无源元件构成了整机产品中体积、重量和安装成本的主要部分 。相比于有源器件的高歌猛进式的发展,无源元件的集成化却一直是电子元器件技术发展的“瓶颈”,今天与大家分享的“多层低温共烧陶瓷技术(Low-Temperature Co-fired CeramicsLTCC)便是为此而生的一个重要技术,它使无源元件的高度集成化成为了可能,对电子元件的制造技术有着重要影响 。

     

    1:LTCC热点应用举例:利用LTCC技术,开发将多元天线的关键设备天线阵列和BPF(带通滤波器)集合为一体的LTCCAiP(封装天线)设备 。通过采用低介电常数、低损耗的新型LTCC材料等措施,实现5G通信所需的高特性,同时还具有卓越的量产性、环境耐受性、放热特性等,使灵活的5G通信系统设计成为可能 。(图片及说明来源:TDK)

    LTCC技术及其相关材料

    多层陶瓷基板技术(由流延法制备技术、过孔形成技术和多层叠层技术等结合的技术)由美国无线电(RCA)公司于20世纪50年代末期所开发,因 为这些多层基板是用氧化铝绝缘材料和导体材料MoW、MoMn,见下表3)在1600℃的高温下共烧的,故而称为高温共烧陶瓷(High temperature co-fired ceramicsHTCC,现指烧结温度大于1000℃的共烧技术),以区别于后来开发的低温共烧陶瓷 。

    20世纪80年代的中期,多层陶瓷基板的应用使大型计算机性能(计算速度等)得到有效提高为了继续提高安装电路板的配线密度,使用了精细的导线,结果线路电阻增大,信号传输显著衰减 。为了解决这个问题,必须使用低电阻的材料材料替代所有低电阻率的金属CuAuAg或者类似材料其熔点都在1000℃左右,见表3)配线 。为了使陶瓷材料能和这些金属共烧,低温共烧陶瓷的烧结温度就必须低于1000,因 此精确控制温度在低电阻金属的熔点900~1000以下是非常必要的 。低温共烧陶瓷技术的开发(LTCC)为实现低损耗、高速度和高密度封装目的起到非常重要的意义 。

    1:低温共烧陶瓷VS高温共烧陶瓷(来源:知乎网友)

    高温共烧陶瓷(HTCC)

    低温共烧陶瓷(LTCC)

    采用氧化铝、氮化铝等陶瓷材料,烧成温度一般大于1500℃ 。因 烧成温度高,HTCC不能采用金、银、铜等低熔点金属材料,必须采用钨、钼、锰等难熔金属材料,这些材料电导率低,会造成信号延迟等缺陷,所以不适合做高速或高频微组装电路的基板 。但是,由于HTCC基板具有结构强度高、热导率高、化学稳定性好和布线密度高等优点,因 此在大功率微组装电路中具有广泛的应用前景 。

    LTCC有着较低的烧结温度(低于900℃),采用电导率高而熔点低的Au、Ag、Cu等金属作为导体材料,能在空气气氛中烧结 。由于玻璃陶瓷低介电常数和在高频低损耗性能,使之非常适合应用于射频、微波和毫米波器件中 。

     

    LTCC典型材料 。顾名思义,低温共烧陶瓷是陶瓷和金属在低温下一同烧成的,它的主要材料是金属和陶瓷 。低温共烧陶瓷所用的金属是高电导材料(Ag、Cu、Au及其合金,如Ag-Pd、Ag-Pt、Au-Pt等) 。

    2:低温共烧陶瓷和高温共烧陶瓷主要材料比较

     

    3:导体材料的电阻率和熔点

     

    LTCC工艺流程

    典型的多层陶瓷基板的基本制造过程如下图2 。首先,陶瓷粉末和有机黏结剂混合配成浆料,用刮刀法将料浆流延成陶瓷薄片(生片这种生片烧结前柔软如纸) 。生片各层间开有导电过孔,采用丝网印刷方法用导电糊膏将线路图案印在生片上 。印刷的生片按层排列,加热并施加压力 ,以实现叠层(生片中的树脂在叠层胶接时起到粘接的的作用) 。随后将导体金属和陶瓷一同煅烧,排出其中的有机胶,最终获得陶瓷基板 。需要注意是,注意制造过程最终产品的尺寸精度和材料质量的变化 。

     

    2:典型的多层陶瓷基板的制造过程

    为了在基板内埋入多样无源功能器件,需要将不同材料的生片进行叠层,由于采用的薄层材质不同,将这些材料进行共烧需要非常高的技术 。在低温共烧陶瓷中实现集成,由于是嵌入层内,在设计时是相当自由的 。而且,可以根据功能要求来选择特殊的专用材料 。无源功能可以整合在低温共烧陶瓷内,此时介电常数大约为5的低介材料层用做信号配线,使之能高速传输,介电常数大约为15的中介材料层用做滤波器,介电常数1000或更高的高介材料层用做消除信号噪声、电压补偿等 。

     

    3:低温共烧陶瓷基板埋入多样的无源功能器件

    LTCC特性及典型应用

    在集成无源器件方面,和印刷树脂板相比,低温共烧陶瓷有三大优势,即高频特性、热稳定性和电容量 。在高频应用中,低温共烧陶瓷也非常适合制作集成基板和电子器件 。陶瓷材料的tanδ比树脂材料的tanδ小,而且,低温共烧陶瓷的tanδ是用以制作印刷电路板的FR4材料的1/3 。与树脂印刷电路板相比,低温共烧陶瓷更适合于高频应用 。

    低温共烧陶瓷产品可分成三个类型即模块、基板/封装及分立器件 。所有类型的产品目前都在商业化的无线通信中得到应用 。

    4:低温共烧陶瓷产品的分类

    类型

    产品

    模块

    前端模块、接收模块、汽车电源控制(自动增益控制)耦合器模块

    封装/基板

    功率放大器(PA)模块,表面波器件封装

    表面贴装器件(SMD)

    带通滤波器,低通滤波器,巴伦,耦合器,双工器,天线

     

     

    4:LTCC典型应用实例射频模块封装 。可应用于手机等移动电子设备的射频模块:电视调谐器、无限LAN、蓝牙(Bluetooth®)、超宽带(UWB)、前端模块(FrontendModule)、功率放大器、陶瓷滤波器(SAWFilter)、双工器(Duplexer) 。图片及说明来源:京瓷

    参考资料:

    1、多层低温共烧陶瓷技术,科学出版社;日本富士通公司,今中佳彦(YoshihikoImanaka)著;詹欣祥,周济译 。

    2、TDK、京瓷等官网

    粉体圈 编辑 小白

     


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