低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic LTCC）

　　該技術是近年發展起來的令人矚目的整合組件技術，已經成為無源集成的主流技術，成為無源元件領域的發展方向和新的元件產業的經濟增長點。

　　LTCC技術是于1982年休斯公司開發的新型材料技術，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。

　　利用LTCC制備片式無源集成器件和模塊具有許多優點，首先，陶瓷材料具有優良的高頻高Q特性；第二，使用電導率高的金屬材料作為導體材料，有利于提高電路系統的品質因子；第三，可適應大電流及耐高溫特性要求，并具備比普通PCB電路基板優良的熱傳導性；第四，可將無源組件埋入多層電路基板中，有利于提高電路的組裝密度；第五，具有較好的溫度特性，如較小的熱膨脹系數、較小的介電常數溫度系數，可以制作層數極高的電路基板，可以制作線寬小于50μm的細線結構。另外，非連續式的生產工藝允許對生坯基板進行檢查，從而

　　提高成品率，降低生產成本。

　　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功能器件

　　早期通信產品內的濾波器和雙工器多為體積很大的介質濾波器和雙工器。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，藍牙和無線網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，頻率則從數十MHz直到5.8GHz。LC濾波器在體積、價格和溫度穩定性等方面有其無可比擬的優勢，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***省已有數年的歷史，日本的村田、東光、TDK、雙信電機，我國***省的華信科技、ACX，韓國的三星等都在批量生產和銷售。我國內地在2003年才從展覽會和網頁上看到，南玻電子公司和另一家公司著手開發類似產品。

　　LTCC片式天線

　　WLAN和藍牙設備通信距離短，收發功率小，對天線的功率和收發特性要求不高，但對天線所占PCB的面積及成本要求很嚴。由LTCC制備的片式天線具有體積小、便于表面貼裝、可靠性高、成本低等顯著優點，已廣泛用于WLAN和藍牙。

　　LTCC模塊基板

　　電子元件的模塊化已成為業界不爭的事實，其中尤其以LTCC為首選方式。可供選擇的模塊基板有LTCC、HTCC(高溫共燒陶瓷)、傳統的PCB如FR4和PTFE(高性能聚四氟已烯)等。HTCC的燒結溫度在1500℃以上，與之匹配的難熔金屬如鎢、鉬/錳等導電性能較差，燒結收縮不如LTCC易于控制。LTCC的介電損耗比RF4低一個數量級。PTFE的損耗較低，但絕緣性都較差。LTCC比大多數有機基板材料可更好地控制精度。沒有任何有機材料可與LTCC基板的高頻性能、尺寸和成本進行綜合比較。

　　國外和我國***省對LTCC模塊基板的研究可謂如火如荼，已經有多種LTCC模塊商業化生產和應用。僅生產手機天線開關模塊(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NEC、村田和愛立信等公司的藍牙模塊、日立等公司的功放模塊等等，都是由LTCC工藝制成的。

　　LTCC模塊因其結構緊湊、耐機械沖擊和熱沖擊性強，目前在軍工和航天設備上受到極大關注和廣泛應用。今后其在汽車電子上的應用將會非常廣泛。

　　國產化成為LTCC器件發展契機

　　國內LTCC器件的開發比國外至少落后5年。這主要是由于電子終端產品發展滯后造成的。

　　LTCC功能器件和模塊主要用于GSM、CDMA和PHS手機、無繩電話、WLAN和藍牙等通信產品，除40多兆的無繩電話外，這幾類產品在國內是近5年才發展起來的。國內的終端產品為了盡快搶占市場，最初的設計方案大都是從國外買來的，甚至方案與元器件打包采購，其所購方案都選用了國外元器件。前幾年終端產品生產廠的主要目標是擴大市場份額，成本壓力不大，無法顧及元器件國產化。隨著終端產品產能過剩，價格和成本競爭將日趨激烈，元器件的國產化必將提上議事日程，這將為國內LTCC器件的發展提供良好的市場契機。

　　LTCC器件的開發與生產，必須兼顧材料、設計及工藝與設備三個

　　方面。

　　材料

　　LTCC器件對材料性能的要求包括電性能、熱機械性能和工藝性能三方面。

　　介電常數是LTCC材料最關健的性能。由于射頻器件的基本單元———諧振器的長度與材料的介電常數的平方根成反比，當器件的工作頻率較低時(如數百兆赫茲)，如果用介電常數低的材料，器件尺寸將大得無法使用。因此，最好能使介電常數系列化以適用于不同的工作頻率。

　　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。

　　介電常數的溫度系數，這是決定射頻器件電性能的溫度穩定性的重要參數。

　　為了保證LTCC器件的可靠性，在材料選擇時還必須考慮到許多熱機械性能。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。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。

　　工藝性能大體可包括如下方面：第一，能在900℃以下的溫度下燒結成致密、無氣孔的顯微結構。第二，致密化溫度不能太低，以免阻止銀漿料和生帶中有機物的排出。第三，加入適當有機材料后可流延成均勻、光滑、有一定強度的生帶。

　　目前，國際上有duPont、Ferro和Heraeus三家提供數種介電常數小于10的生帶，國內開發LTCC器件的研究所也都在采用這些生帶。這些生帶存在兩個問題：首先，介電常數未系列化，不利于設計不同工作頻率的器件。第二，這些生帶開發商并無實際使用生帶進行設計和生產的經驗，比較注重生帶與銀漿料的匹配性和工藝性能，對于設計對生帶的要求的掌握并不詳盡。Heraeus目前似乎更著重

　　于銀漿和介電粉料的開發，似有退出生帶生產之勢，不知是否代表一種趨勢。

　　國內目前LTCC材料基本有兩個來源，一是購買國外生帶，二是器件生產廠從原料開發起。這些都不利于快速、低成本的開發出LTCC器件。因為，第一種方式會增加生產成本，第二種方式會延緩器件的開發時間。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LTCC用陶瓷粉料，尚未到批量生產的程度。國內現在亟須開發出系列化的、最好有自主知識產權的LTCC用陶瓷粉料，專業化的生產系列化LTCC用陶瓷生帶，為LTCC器件的開發奠定基礎。南玻電子公司正在用進口粉料，開發出介電常數為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，介電常數半系列化，為不同設計、不同工作頻率的器件開發奠定了基礎。

　　設計

　　LTCC器件的設計包括電性設計、應力設計和熱設計等諸多方面，其中以電性設計最為關鍵。由于LTCC器件中包括多個等效分立元件，互相間耦合非常復雜，工作頻率往往較高，更多的是采用電磁場而不是電路的概念。用過去的集總參數電路設計的方法是無法設計LTCC器件的。國內尚未看到有關LTCC器件電性設計的報道，這大概是制約LTCC器件開發的另一個重要因素。香港青石集成微系統公司(CiMS)長期從事微波電磁場的研究與LTCC器件的設計，頗有造詣。CiMS采用先

　　進的電磁場模擬優化軟件為南玻電子設計了多款LC濾波器和模塊，取得了良好的效果。

　　由電磁場模似設計軟件可對生帶和銀電極的頻率響應、損耗等進行定量分析，從而指導實際研發，縮短研發周期和成本。

　　工藝設備

　　LTCC器件的顯著優點之一是其一致性好、精度高。而這完全有賴于所用材料的穩定性和工藝設備的精度。國內目前尚沒有生產廠可制造與LTCC有關的成型設備。據不完全統計，國內南玻電子引進了一條完整的LTCC生產線，另外約有4家研究所已經或正在引進LTCC中試設備，開發軍工用LTCC模塊。

　　LTCC是今后發展趨勢

　　LTCC是今后元件制造工藝的一個趨勢，集成的趨勢非常明顯。據業內專家介紹，與其他集成技術相比，LTCC具有以下特點：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；陶瓷材料具有優良的高頻、高Q特性和高速傳輸特性；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的品質因數；制作層數很高的電路基板，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；可適應大電流及耐高溫特性要求，具有良好的溫度特性；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；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，可以應用于惡劣環境；采用非連續式的生產工藝，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。

　　深圳南玻電子有限公司研發部經理武雋在接受中國電子報記者采訪時表示，業內專家此前預測LTCC發展的趨勢目前都已經成為現實：首先是綠色化。電鍍液、原材料領域都已采用綠色生產。其次是集成化。元件的集成比較普遍，模塊化集成還沒有規模化。最后是多功能化。現在國外已經研制出把不同功能的整合在一個器件里的產品。由此看來未來幾年LTCC還將越來越熱，以便給業界帶來一個又一個有關LTCC的驚喜。

　　原材料問題亟待解決

　　中國電子學會元件分會秘書長陳福厚表示，國內LTCC行業面臨的問題主要是原材料的問題。目前原材料的來源主要有三種方式：其一，直接從國外進口生帶；其二，買磁粉，自己做生帶；其三，自己研制磁粉。這三種方式中，第一種成本最高，第三種最慢。

　　國內做得比較好的深圳南玻電子有限公司的做法很值得借鑒，他們采用第二種方式，所生產出的生帶性能、質量都很不錯，完全能夠滿足元器件及模塊設計的要求。

　　武雋認為，國內LTCC產業的上游，也就是原材料的研究不能停留在能做出樣品、發表論文上，最終要落實到產業化上。他說，國內研發力量參差不齊，一致性方面特別是質量控制方面和國外企業相比還有差距，這是特別需要注意的問題。他強調，材料的一致性、可靠性及環保性，要全部達到要求，才能促進國內LTCC產業的發展，否則缺了其中一環，是做不成的。目前，他們正在和國內高校和研究所合作研究材料，但現在還沒有產業化。

　　EMI/EMC是破局點

　　在LTCC領域，國內起步晚了一些，在技術的爬升階段跟進得也慢了一些，導致現在與國外的差距越來越大，但也還是有機會的，因為市場容量在不斷增長，如藍牙的出貨量及無繩電話、手機產業同步增長，而WiFi、WLAN等技術標準一旦成熟，勢必會牽引出許多新的電子產品，因此采用LTCC工藝生產的產品市場機會是相當大的。

　　陳福厚表示，采用LTCC工藝生產的元器件在手機板、交換機、電腦、便攜式電子產品及DC-DC電源領域有廣闊的前景，只要國內企業找到市場需要的產品，就一定會有錢賺。

　　武雋告訴記者，EMI/EMC(抗電磁干擾)元件將是LTCC破局的著落點，它將催生出一個僅次于電子元件的器件市場。他解釋說，我們每天生活的電磁波中，電磁干擾是個很嚴重的問題，因此電子產品的抗電磁干擾顯得尤為重要。EMI/EMC元件不僅用在傳統的家電，通信及便攜電子產品也要用到，而由此催生出的巨大市場將是數以億計的，目前，南玻已經研制出共模扼流圈。此外，LTCC在藍牙技術上的應用也不容小覷，如近一兩年面世的平衡濾波器，是一個很經典的器件，它的出現大大方便了藍牙產品貼裝，節省了面積，簡化了采購。