LTCC助推元件集成化?功能模塊研制是重點(diǎn)

     微型化、模塊化和高頻化是元器件研究開發(fā)的重要目標(biāo)，LTCC技術(shù)正是實(shí)現(xiàn)這種目標(biāo)的有力手段。新型LTCC材料系統(tǒng)成功解決了低燒結(jié)溫度、低介電常數(shù)和高機(jī)械性能之間的矛盾。積極開發(fā)和推廣低溫共燒陶瓷材料，使其產(chǎn)業(yè)化，并形成一定的材料體系和產(chǎn)業(yè)規(guī)模，是當(dāng)前信息功能陶瓷領(lǐng)域的重要研究任務(wù)之一。 

      隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，電子線路的微型化、輕量化、集成化和高頻化對(duì)電子元件提出了小尺寸、高頻率、高可靠性和高集成度的要求。片式化、小型化已成為衡量電子元件技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。為了迎合電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，出現(xiàn)了許多新型的組件整合技術(shù)，如多芯片組件技術(shù)、低溫共燒陶瓷技術(shù)（LTCC）和芯片尺寸封裝技術(shù)等。其中低溫共燒陶瓷技術(shù)以其集成密度高和高頻特性好等優(yōu)異的電學(xué)、機(jī)械、熱學(xué)及工藝特性，成為目前電子元件集成化的主流方式，廣泛應(yīng)用于電子、通信、航空航天、汽車、計(jì)算機(jī)和醫(yī)療等領(lǐng)域。

      歐美日廠商占據(jù)主要市場(chǎng)份額

      LTCC技術(shù)最早由美國(guó)休斯公司開發(fā)，國(guó)外最初主要應(yīng)用于軍事電子領(lǐng)域，其成本相對(duì)較高，近年來(lái)由于受到汽車電子和通信等行業(yè)的推動(dòng)，LTCC材料和工藝有了很大改進(jìn)，成本降低，逐漸向民用方向發(fā)展。 

      過去電子元件技術(shù)均由日商執(zhí)牛耳，因此在LTCC工藝的掌握上，仍舊由日商與部分歐美業(yè)者領(lǐng)先。LTCC材料在日本、美國(guó)以及歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家早已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化和系列化階段，如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體、DuPont、村田制作所、松下壽、京瓷等研發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)LTCC技術(shù)已研發(fā)多年，形成了一定的材料體系，生產(chǎn)工藝也較為成熟，他們?cè)趯＠夹g(shù)，材料來(lái)源及規(guī)格主導(dǎo)權(quán)上均占有主要優(yōu)勢(shì)，歐美日廠商基本上占據(jù)了LTCC九成以上的市場(chǎng)。 

      同時(shí)在2000年前后，由于看到手機(jī)和藍(lán)牙等無(wú)線通信市場(chǎng)的快速成長(zhǎng)，預(yù)測(cè)到通信產(chǎn)品的小型化必將導(dǎo)入LTCC元件，我國(guó)部分臺(tái)灣廠商也積極投入到LTCC技術(shù)的開發(fā)或者尋求與歐美日等廠商的合作之中。目前可以提供LTCC材料和模塊的臺(tái)商主要有國(guó)巨、王景德電子和華新科等十余家企業(yè)。 

      相比之下，我國(guó)大陸LTCC市場(chǎng)的開發(fā)稍顯遜色，與歐美日等國(guó)家相比至少落后5年，這主要是由于大陸電子終端產(chǎn)品的發(fā)展滯后造成的。LTCC功能組件和模塊主要用于GSM、CDMA、PHS（手持電話系統(tǒng)）手機(jī)、無(wú)繩電話、WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)）和藍(lán)牙等通信產(chǎn)品，除40多兆的無(wú)繩電話外，這幾類產(chǎn)品在大陸是近四五年才發(fā)展起來(lái)的。目前，深圳南玻電子有限公司已經(jīng)建成了大陸第一條LTCC生產(chǎn)線，開發(fā)出了多種LTCC產(chǎn)品并已投產(chǎn)。而在材料方面，清華大學(xué)、電子科技大學(xué)、中科院上海硅酸鹽研究所等已開展了大量的研究工作。國(guó)內(nèi)LTCC市場(chǎng)的開發(fā)潛力很大，隨著未來(lái)電子元件的模塊化以及電子終端產(chǎn)品的過剩，價(jià)格成本的競(jìng)爭(zhēng)必定會(huì)更加激烈，國(guó)內(nèi)廠家最初采用的原料、設(shè)計(jì)直接從國(guó)外打包進(jìn)口的做法已經(jīng)難以滿足價(jià)格戰(zhàn)的要求，LTCC產(chǎn)品和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的開發(fā)已經(jīng)提上日程，這為國(guó)內(nèi)LTCC市場(chǎng)的發(fā)展提供了良好的契機(jī)。

      新型LTCC材料系統(tǒng)解決技術(shù)難題

      LTCC產(chǎn)品的性能完全依賴于所選用材料的性能。從化學(xué)成分上來(lái)看，目前使用的、能夠?qū)崿F(xiàn)低溫?zé)Y(jié)的陶瓷材料主要包括微晶玻璃體系、玻璃+陶瓷復(fù)合體系和非晶玻璃體系。其中微晶玻璃系和玻璃+陶瓷復(fù)合體系是近年來(lái)人們研究的重點(diǎn)，開發(fā)出了(Mg，Ca)TiO3系、BaO-TiO2系、ZnO-TiO2系、BaO-Nd2O3-TiO2系、(Zr，Sn)TiO3系、(Ba，Nb)TiO3系以及硼硅酸鹽系等許多LTCC材料體系。 

      低介電常數(shù)LTCC材料目前面臨的主要問題是高性能(低介電常數(shù)、低介電損耗、高機(jī)械強(qiáng)度)和低燒結(jié)溫度的矛盾。由于這一矛盾的存在，現(xiàn)有的商用LTCC材料系統(tǒng)均很難進(jìn)行摻雜改性以獲得具有性能系列化的材料。 

      近年來(lái)，清華大學(xué)新型陶瓷材料與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室在全新的材料設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下，發(fā)展出了一種新型LTCC材料系統(tǒng)——— 硅鋁氟氧化物基低溫共燒陶瓷。其設(shè)計(jì)思路是：通過F離子取代對(duì)硅氧四面體的結(jié)構(gòu)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料電極化特性的控制和對(duì)材料燒結(jié)特性的改性，起到了降低燒結(jié)溫度與降低材料介電常數(shù)及介電損耗的雙重作用，成功地解決了低燒結(jié)溫度、低介電常數(shù)和高機(jī)械性能之間的矛盾，發(fā)展出了兼具有優(yōu)異物理性能和工藝特性的新型LTCC材料系統(tǒng)。與現(xiàn)有的商用LTCC材料相比，該材料系統(tǒng)具有更低的燒結(jié)溫度、更低的介電損耗、可實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)的系列化等優(yōu)點(diǎn)。綜合技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于現(xiàn)有商用材料。 

      LTCC基板材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題就是LTCC基板材料與異質(zhì)材料共燒匹配性問題。一般LTCC材料的收縮率大約為15%～20%，在應(yīng)用于高性能系統(tǒng)時(shí)，必須嚴(yán)格控制其收縮行為，獲得在X-Y方向零收縮率的材料。LTCC材料共燒匹配性的研究還包括如何實(shí)現(xiàn)基片與布線共燒時(shí)的收縮率及熱膨脹系數(shù)匹配問題，也就是解決基板與導(dǎo)體漿料之間燒結(jié)收縮率、致密化速度和致密化完成溫度相匹配的問題。

      LTCC在元件集成中應(yīng)用廣泛 

      隨著移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信的迅速發(fā)展，對(duì)器件微型化、高頻化與模塊化的要求越來(lái)越迫切，而電子元器件特別是大量使用的以電子陶瓷材料為基礎(chǔ)的各類無(wú)源元器件，成為實(shí)現(xiàn)整機(jī)微型化的主要瓶頸。因此，微型化(包括片式化)、模塊化和高頻化是目前元器件研究開發(fā)的一個(gè)重要目標(biāo)，而LTCC技術(shù)以及產(chǎn)品正是實(shí)現(xiàn)這種目標(biāo)的有力手段。 

      LTCC產(chǎn)品在電子元件集成中應(yīng)用十分廣泛。如各種制式的手機(jī)、藍(lán)牙模塊、GPS（全球定位系統(tǒng)）、PDA（掌上電腦）、數(shù)碼相機(jī)、WLAN、汽車電子、光驅(qū)等。其中在手機(jī)中的用量占據(jù)主要部分，約達(dá)80%以上；其次是藍(lán)牙模塊和WLAN。 

      LTCC器件按其所包含的元件數(shù)量和在電路中的作用，大體可分為高精度片式元件、LTCC無(wú)源集成器件、LTCC無(wú)源集成基板和LTCC功能模塊。高精度片式元件主要包括高精度片式電感器、電阻器、片式微波電容器等，以及這些元件的陣列。LTCC無(wú)源集成功能器件包括片式射頻無(wú)源集成組件，如LC濾波器及其陣列、定向耦合器、功分器、功率合成器、天線、延遲線、衰減器，共模扼流圈及其陣列等。利用LTCC技術(shù)制成的LC濾波器包括帶通、高通和低通三種，頻率可從數(shù)十MHz到5.8GHz。采用LTCC無(wú)源集成器件，可以提高器件的集成密度，減小器件體積。 

      LTCC無(wú)源集成基板主要包括藍(lán)牙模塊基板、手機(jī)前端模塊基板等，再集成其他功能器件，就可得到如藍(lán)牙模塊、手機(jī)前端模塊、天線開關(guān)模塊、功放模塊等LTCC功能模塊。由于電子工業(yè)向高集成化發(fā)展，所以各種LTCC功能模塊的研制已經(jīng)成為人們研究的焦點(diǎn)。藍(lán)牙技術(shù)和模塊的不斷更新，有力地推動(dòng)了LTCC技術(shù)的發(fā)展。繼村田制作所2004年發(fā)布的9.6mm×9.6mm×1.8mm業(yè)界最小的LAN（局域網(wǎng)）模塊后，2005年京瓷又成功開發(fā)了可嵌入收集使用的無(wú)線LAN模塊，尺寸為9.8mm×7.5mm×1.5mm，主要是采用LTCC技術(shù)，通過在基板內(nèi)嵌入收發(fā)IC及濾波器等實(shí)現(xiàn)了模塊的小型化。 

      LTCC用于集成技術(shù)的一個(gè)最新趨勢(shì)是將燃料電池集成在模塊系統(tǒng)中。由于LTCC技術(shù)很容易在其陶瓷結(jié)構(gòu)內(nèi)形成流通道，國(guó)外的一些機(jī)構(gòu)已研發(fā)出基于LTCC的小型燃料電池。因此人們有可能通過LTCC實(shí)現(xiàn)電源/有源/無(wú)源元件一體化的模塊。 

      綜上所述，雖然LTCC技術(shù)已經(jīng)成為電子元件集成，特別是無(wú)源集成的主流技術(shù)，但其自身還存在一定的不足亟待改進(jìn)。如提高熱導(dǎo)率，減少燒結(jié)收縮率等。同時(shí)LTCC技術(shù)還受到來(lái)自其他集成技術(shù)的挑戰(zhàn)，如目前正在開發(fā)的可埋入電阻、電容的PCB（印制電路板）技術(shù)等。這就要求其在鞏固自身在集成封裝領(lǐng)域地位的同時(shí)，還要不斷加強(qiáng)自身的發(fā)展。另外如何解決LTCC材料與異質(zhì)材料的共燒匹配性，尋求更高電性能低溫共燒陶瓷材料等問題也有待解決。 
 

     我國(guó)在LTCC技術(shù)領(lǐng)域還處于起步階段，尚未形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。從技術(shù)角度而言，積極開發(fā)和推廣低溫共燒陶瓷材料，使其產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)權(quán)自主化，并形成一定的材料體系和產(chǎn)業(yè)規(guī)模，應(yīng)當(dāng)成為當(dāng)前信息功能陶瓷領(lǐng)域的重要研究任務(wù)之一。另外，隨著環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的要求，又向功能陶瓷特別是LTCC材料提出環(huán)境友好性的要求，這些都為L(zhǎng)TCC技術(shù)的研究和發(fā)展提供了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。可見，加大在LTCC技術(shù)領(lǐng)域投資和科研力度，建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型信息高技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系，整體提升我國(guó)電子集成領(lǐng)域的技術(shù)水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力將成為今后一段時(shí)期科研工作的主要任務(wù)。