低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)新進(jìn)展

摘  要：低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic LTCC）技術(shù)是近年發(fā)展起來的令人矚目的整合組件技術(shù)，已經(jīng)成為無源集成的主流技術(shù)，成為無源元件領(lǐng)域的發(fā)展方向和新的元件產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)增長點。本文詳細(xì)敘述了低溫共燒陶瓷技術(shù)（Low Temperature Co-fired Ceramics，簡稱LTCC）特點、LTCC材料和器件的國外內(nèi)研究現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：低溫共燒陶瓷（LTCC）；無源集成； 陶瓷材料；共燒匹配。 

1 LTCC產(chǎn)業(yè)概況

隨著微電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子整機在小型化、便攜式、多功能、數(shù)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(yù)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(shù)（low temperature cofired ceramic LTCC）是近年來興起的一種相當(dāng)令人矚目的多學(xué)科交叉的整合組件技術(shù),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(lǐng)域。TEK的調(diào)查資料顯示，2004～2007年間全球LTCC市場產(chǎn)值呈現(xiàn)快速成長趨勢。表1給出過去幾年全球LTCC市場產(chǎn)值增長情況。

表1 過去幾年全球LTCC市場產(chǎn)值增長情況

LTCC技術(shù)最早由美國開始發(fā)展，初期應(yīng)用于軍用產(chǎn)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(yīng)用于資訊產(chǎn)品中。目前，LTCC材料在日本、美國等發(fā)達(dá)國家已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化、系列化和可進(jìn)行材料設(shè)計的階段[1]。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(chǎn)品質(zhì)量，專利技術(shù)、材料掌控及規(guī)格主導(dǎo)權(quán)等均占有領(lǐng)先優(yōu)勢。圖1給出全球LTCC廠商市場占有情況。而國內(nèi)LTCC產(chǎn)品的開發(fā)比國外發(fā)達(dá)國家至少落后五年，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料體系和器件幾乎是空白。國內(nèi)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(chǎn)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(shù)目逐漸被LTCC模塊與基板所取代，終端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩，價格和成本競爭日趨激烈，元器件的國產(chǎn)化必將提上議事日程，這為國內(nèi)LTCC產(chǎn)品的發(fā)展提供了良好的市場契機。中國在LTCC市場占據(jù)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(xué)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(chǎn)的程度。南玻電子公司正在用進(jìn)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，為不同設(shè)計、不同工作頻率的LTCC產(chǎn)品的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)現(xiàn)在急需開發(fā)出系列化的、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的LTCC 瓷粉料，并專業(yè)化生產(chǎn)LTCC用陶瓷生帶系列，為LTCC產(chǎn)業(yè)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

 
 
圖1全球LTCC廠商市場占有情況
 
2 LTCC的技術(shù)特點

LTCC技術(shù)是于1982年休斯公司開發(fā)的新型材料技術(shù)，是將低溫?zé)Y(jié)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(dǎo)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(zhuǎn)換器、耦合器等）埋入多層陶瓷基板中，然后疊壓在一起，內(nèi)外電極可分別使用銀、銅、金等金屬，在900℃下燒結(jié)，制成三維空間互不干擾的高密度電路，也可制成內(nèi)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(jìn)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1。圖2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(xiàn)IC芯片封裝、內(nèi)埋置無源元件及高密度電路組裝的功能。

    
圖1 LTCC工藝流程圖 

圖 2 LTCC基板
與其它集成技術(shù)相比，LTCC具有以下特點[2-5]： 1）根據(jù)配料的不同，LTCC材料的介電常數(shù)可以在很大范圍內(nèi)變動，增加了電路設(shè)計的靈活性；2）陶瓷材料具有優(yōu)良的高頻、高Q特性和高速傳輸特性；3)使用高電導(dǎo)率的金屬材料作為導(dǎo)體材料，有利于提高電路系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)；4）制作層數(shù)很高的電路基板，易于形成多種結(jié)構(gòu)的空腔，內(nèi)埋置元器件，免除了封裝組件的成本，減少連接芯片導(dǎo)體的長度與接點數(shù),并可制作線寬小于50µm的細(xì)線結(jié)構(gòu)電路，實現(xiàn)更多布線層數(shù)，能集成的元件種類多，參量范圍大，易于實現(xiàn)多功能化和提高組裝密度；5)可適應(yīng)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(shù)，較小的介電常數(shù)穩(wěn)定系數(shù)。LTCC基板材料的熱導(dǎo)率是有機疊層板的20倍，故可簡化熱設(shè)計，明顯提高電路的壽命和可靠性；6)與薄膜多層布線技術(shù)具有良好的兼容性，二者結(jié)合可實現(xiàn)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；7）易于實現(xiàn)多層布線與封裝一體化結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減小體積和重量，提高可靠性、耐高溫、高濕、沖振，可以應(yīng)用于惡劣環(huán)境；8)非連續(xù)式的生產(chǎn)工藝，便于基板燒成前對每一層布線和互連通孔進(jìn)行質(zhì)量檢查，有利于提高多層基板的成品率和質(zhì)量，縮短生產(chǎn)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(shù)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(lǐng)域均獲得了越來越廣泛的應(yīng)用

表1 集成電路常用基板性能比較

3 LTCC陶瓷材料

LTCC產(chǎn)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(shù)是LTCC材料最關(guān)健的性能。要求介電常數(shù)在2～20000范圍內(nèi)系列化以適用于不同的工作頻率。例如相對介電常數(shù)為3.8的基板適用于高速數(shù)字電路的設(shè)計；相對介電常數(shù)為6～80的基板可很好地完成高頻線路的設(shè)計；相對介電常數(shù)高達(dá)20000的基板，則可以使高容性器件集成到多層結(jié)構(gòu)中。高頻化是數(shù)位3C產(chǎn)品發(fā)展比然的趨勢，發(fā)展低介電常數(shù)（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(yīng)高頻應(yīng)用的一個挑戰(zhàn)。FerroA6和DuPont的901系統(tǒng)介電常數(shù)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(shù)為3.9左右，介電常數(shù)低達(dá)2.5的正在開發(fā)。

諧振器的尺寸大小與介電常數(shù)的平方根成反比，因此作為介質(zhì)材料時，要求介電常數(shù)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(shù)（>100）乃至>150的介質(zhì)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(shù)的材料，也可在LTCC介質(zhì)陶瓷基板材料層中夾入有較大介電常數(shù)的介質(zhì)材料層，其介電常數(shù)可在20～100之間選擇。介電損耗也是射頻器件設(shè)計時一個重要考慮參數(shù)，它直接與器件的損耗相關(guān)，理論上希望越小越好。目前，生產(chǎn)用于射頻器件的LTCC材料主要有DuPont(951 ,943），F(xiàn)erro（A6M，A6S），Heraeus（CT700,CT800和CT2000)和Electro-science Laboratories。他們不僅可以提供介電常數(shù)系列化的LTCC生瓷帶，而且也提供與其相匹配的布線材料。
 
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(guān)健的是熱膨脹系數(shù)，應(yīng)盡可能與其要焊接的電路板相匹配。圖3是IC封裝的各材料的熱膨脹系數(shù)。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(yīng)力，應(yīng)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(shù)位、光學(xué)和電子技術(shù)的集成能力。

 
 
圖3用于IC制造、封裝何連接材料的TCE
 
諧振頻率的溫度系數(shù)（τf）盡可能的小，大約在10－6數(shù)量級，最好為零。此外，考慮到加工及以后的應(yīng)用，LTCC材料還應(yīng)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2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[6-8]和“玻璃+ 陶瓷”[9-12]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(jié)溫度，但是降低燒結(jié)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(jié)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[13]、 BiNbO4系[14]、Bi203-Zn0-Nb205系[15]、ZnO-TiO2系[16]等陶瓷材料。近年來，清華大學(xué)周濟(jì)課題組一直致力于這方面的研究。

表2一些公司的低溫共燒介質(zhì)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(zhì)層（電容、電阻、電感，導(dǎo)體等）共燒時，要控制不同界面間的反應(yīng)和界面擴散，使各介質(zhì)層的共燒匹配性良好，界面層間在致密化速率、燒結(jié)收縮率及熱膨脹速率等方面盡量達(dá)到一致，減少層裂、翹曲和裂紋等缺陷的產(chǎn)生。

一般說了，利用LTCC技術(shù)的陶瓷材料收縮率大約為15～20％左右。若兩者燒結(jié)無法匹配或兼容，燒結(jié)之后將會出現(xiàn)界面層分裂的現(xiàn)象；如果兩種材料發(fā)生高溫反應(yīng)，其生成的反應(yīng)層又將影響原來各自材料的特性。對于不同介電常數(shù)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(yīng)活性等是研究的重點。在LTCC應(yīng)用于高性能系統(tǒng)時，對收縮行為的嚴(yán)格控制關(guān)鍵在于對LTCC共燒體系燒結(jié)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(jié)或助壓燒結(jié)技術(shù)，獲得沿X-Y方向零收縮率的材料[17,18]燒結(jié)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(jié)作用及控制層嚴(yán)格的收縮率，限制了LTCC結(jié)構(gòu)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(jìn)行收縮補償。結(jié)果，LTCC結(jié)構(gòu)在X、Y方向上的尺寸變化只有0.1％左右，從而保證了燒結(jié)后，布線及孔的位置和精度，保證了器件的質(zhì)量。

Dupont公司研發(fā)的控制收縮燒結(jié)技術(shù)已應(yīng)用于60％LTCC基板和30％的LTCC電路產(chǎn)品中。圖4為Dupont公司的控制收縮技術(shù)，表3給出相應(yīng)的性能。

 
圖4 Dupont公司的控制收縮技術(shù)

目前，如果實現(xiàn)基片與布線共燒時的收縮率及熱膨脹系數(shù)匹配問題是重要挑戰(zhàn)，它關(guān)系到多層金屬化布線的質(zhì)量[19]。LTCC共燒時，基片與漿料的燒結(jié)特性不匹配主要體現(xiàn)在三個方面：1）燒結(jié)致密化完成溫度不一致；2）基片與漿料的燒結(jié)收縮率不一致；3）燒結(jié)致密化速度不匹配。這些不匹配容易導(dǎo)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(dǎo)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(zhǔn)誤差。這種新的材料，配準(zhǔn)誤差小于0.5mil。Heraeus公司已推出零收縮的CT800系列產(chǎn)品。

4 LTCC器件
 
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屬于高新科技的前沿產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于微電子工業(yè)的各個領(lǐng)域，具有十分廣闊的應(yīng)用市場和發(fā)展前景。目前LTCC 技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入更新的應(yīng)用階段，包括無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、地面數(shù)位廣播、全球定位系統(tǒng)接收器組件、數(shù)位信號處理器和記憶體等及其他電源供應(yīng)組件甚至是數(shù)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(guān)組件，NEC、村田和和易利信等開發(fā)的藍(lán)牙組件都是由LTCC技術(shù)制成的。此外，LTCC組件因其結(jié)構(gòu)緊湊，高耐熱和耐沖擊性，目前在軍工和航天設(shè)備中廣泛應(yīng)用，預(yù)計未來在汽車電子系統(tǒng)上的應(yīng)用也會非常普遍。CTS 公司已經(jīng)宣布將為汽車電子市場提供低溫?zé)Y(jié)陶瓷(LTCC)電路板。圖5為目前LTCC器件應(yīng)用領(lǐng)域所占比例。 
  
 
圖5 LTCC器件應(yīng)用領(lǐng)域所占比例

現(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（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(shù)十MHz直到5.8GHz。NTT未來網(wǎng)絡(luò)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