半导体

LTCC助推元件集成化 功能模块研制是重点

作者:周济 王睿来源:中国电子报发布时间:2008-12-02 13:05我要评论






  清华大学新型陶瓷材料与精细工艺国家重点实验室 周济 王睿

微型化、模块化和高频化是元器件研究开发的重要目标,LTCC技术正是实现这种目标的有力手段。新型LTCC材料系统成功解决了低烧结温度、低介电常数和高机械性能之间的矛盾。积极开发和推广低温共烧陶瓷材料,使其产业化,并形成一定的材料体系和产业规模,是当前信息功能陶瓷领域的重要研究任务之一。
随着现代信息技术的飞速发展,电子线路的微型化、轻量化、集成化和高频化对电子元件提出了小尺寸、高频率、高可靠性和高集成度的要求。片式化、小型化已成为衡量电子元件技术发展水平的重要标志之一。为了迎合电子信息产业的发展需求,出现了许多新型的组件整合技术,如多芯片组件技术、低温共烧陶瓷技术(LTCC)和芯片尺寸封装技术等。其中低温共烧陶瓷技术以其集成密度高和高频特性好等优异的电学、机械、热学及工艺特性,成为目前电子元件集成化的主流方式,广泛应用于电子、通信、航空航天、汽车、计算机和医疗等领域。

欧美日厂商占据主要市场份额

LTCC技术最早由美国休斯公司开发,国外最初主要应用于军事电子领域,其成本相对较高,近年来由于受到汽车电子和通信等行业的推动,LTCC材料和工艺有了很大改进,成本降低,逐渐向民用方向发展。
过去电子元件技术均由日商执牛耳,因此在LTCC工艺的掌握上,仍旧由日商与部分欧美业者领先。LTCC材料在日本、美国以及欧洲等发达国家早已进入产业化和系列化阶段,如美国国家半导体、DuPont、村田制作所、松下寿、京瓷等研发机构对LTCC技术已研发多年,形成了一定的材料体系,生产工艺也较为成熟,他们在专利技术,材料来源及规格主导权上均占有主要优势,欧美日厂商基本上占据了LTCC九成以上的市场。
同时在2000年前后,由于看到手机和蓝牙等无线通信市场的快速成长,预测到通信产品的小型化必将导入LTCC元件,我国部分台湾厂商也积极投入到LTCC技术的开发或者寻求与欧美日等厂商的合作之中。目前可以提供LTCC材料和模块的台商主要有国巨、王景德电子和华新科等十余家企业。
相比之下,我国大陆LTCC市场的开发稍显逊色,与欧美日等国家相比至少落后5年,这主要是由于大陆电子终端产品的发展滞后造成的。LTCC功能组件和模块主要用于GSM、CDMA、PHS(手持电话系统)手机、无绳电话、WLAN(无线局域网)和蓝牙等通信产品,除40多兆的无绳电话外,这几类产品在大陆是近四五年才发展起来的。目前,深圳南玻电子有限公司已经建成了大陆第一条LTCC生产线,开发出了多种LTCC产品并已投产。而在材料方面,清华大学、电子科技大学、中科院上海硅酸盐研究所等已开展了大量的研究工作。国内LTCC市场的开发潜力很大,随着未来电子元件的模块化以及电子终端产品的过剩,价格成本的竞争必定会更加激烈,国内厂家最初采用的原料、设计直接从国外打包进口的做法已经难以满足价格战的要求,LTCC产品和自主知识产权的开发已经提上日程,这为国内LTCC市场的发展提供了良好的契机。

  新型LTCC材料系统解决技术难题

LTCC产品的性能完全依赖于所选用材料的性能。从化学成分上来看,目前使用的、能够实现低温烧结的陶瓷材料主要包括微晶玻璃体系、玻璃+陶瓷复合体系和非晶玻璃体系。其中微晶玻璃系和玻璃+陶瓷复合体系是近年来人们研究的重点,开发出了(Mg,Ca)TiO3系、BaO-TiO2系、ZnO-TiO2系、BaO-Nd2O3-TiO2系、(Zr,Sn)TiO3系、(Ba,Nb)TiO3系以及硼硅酸盐系等许多LTCC材料体系。
低介电常数LTCC材料目前面临的主要问题是高性能(低介电常数、低介电损耗、高机械强度)和低烧结温度的矛盾。由于这一矛盾的存在,现有的商用LTCC材料系统均很难进行掺杂改性以获得具有性能系列化的材料。
近年来,清华大学新型陶瓷材料与精细工艺国家重点实验室实验室在全新的材料设计思想指导下,发展出了一种新型LTCC材料系统——— 硅铝氟氧化物基低温共烧陶瓷。其设计思路是:通过F离子取代对硅氧四面体的结构调制,实现了对材料电极化特性的控制和对材料烧结特性的改性,起到了降低烧结温度与降低材料介电常数及介电损耗的双重作用,成功地解决了低烧结温度、低介电常数和高机械性能之间的矛盾,发展出了兼具有优异物理性能和工艺特性的新型LTCC材料系统。与现有的商用LTCC材料相比,该材料系统具有更低的烧结温度、更低的介电损耗、可实现介电常数的系列化等优点。综合技术指标优于现有商用材料。
LTCC基板材料研究的一个热点问题就是LTCC基板材料与异质材料共烧匹配性问题。一般LTCC材料的收缩率大约为15%%~20%%,在应用于高性能系统时,必须严格控制其收缩行为,获得在X-Y方向零收缩率的材料。LTCC材料共烧匹配性的研究还包括如何实现基片与布线共烧时的收缩率及热膨胀系数匹配问题,也就是解决基板与导体浆料之间烧结收缩率、致密化速度和致密化完成温度相匹配的问题。

LTCC在元件集成中应用广泛

随着移动通信和卫星通信的迅速发展,对器件微型化、高频化与模块化的要求越来越迫切,而电子元器件特别是大量使用的以电子陶瓷材料为基础的各类无源元器件,成为实现整机微型化的主要瓶颈。因此,微型化(包括片式化)、模块化和高频化是目前元器件研究开发的一个重要目标,而LTCC技术以及产品正是实现这种目标的有力手段。
LTCC产品在电子元件集成中应用十分广泛。如各种制式的手机、蓝牙模块、GPS(全球定位系统)、PDA(掌上电脑)、数码相机、WLAN、汽车电子、光驱等。其中在手机中的用量占据主要部分,约达80%%以上;其次是蓝牙模块和WLAN。
LTCC器件按其所包含的元件数量和在电路中的作用,大体可分为高精度片式元件、LTCC无源集成器件、LTCC无源集成基板和LTCC功能模块。高精度片式元件主要包括高精度片式电感器、电阻器、片式微波电容器等,以及这些元件的阵列。LTCC无源集成功能器件包括片式射频无源集成组件,如LC滤波器及其阵列、定向耦合器、功分器、功率合成器、天线、延迟线、衰减器,共模扼流圈及其阵列等。利用LTCC技术制成的LC滤波器包括带通、高通和低通三种,频率可从数十MHz到5.8GHz。采用LTCC无源集成器件,可以提高器件的集成密度,减小器件体积。
LTCC无源集成基板主要包括蓝牙模块基板、手机前端模块基板等,再集成其他功能器件,就可得到如蓝牙模块、手机前端模块、天线开关模块、功放模块等LTCC功能模块。由于电子工业向高集成化发展,所以各种LTCC功能模块的研制已经成为人们研究的焦点。蓝牙技术和模块的不断更新,有力地推动了LTCC技术的发展。继村田制作所2004年发布的9.6mm×9.6mm×1.8mm业界最小的LAN(局域网)模块后,2005年京瓷又成功开发了可嵌入收集使用的无线LAN模块,尺寸为9.8mm×7.5mm×1.5mm,主要是采用LTCC技术,通过在基板内嵌入收发IC及滤波器等实现了模块的小型化。
LTCC用于集成技术的一个最新趋势是将燃料电池集成在模块系统中。由于LTCC技术很容易在其陶瓷结构内形成流通道,国外的一些机构已研发出基于LTCC的小型燃料电池。因此人们有可能通过LTCC实现电源/有源/无源元件一体化的模块。
综上所述,虽然LTCC技术已经成为电子元件集成,特别是无源集成的主流技术,但其自身还存在一定的不足亟待改进。如提高热导率,减少烧结收缩率等。同时LTCC技术还受到来自其他集成技术的挑战,如目前正在开发的可埋入电阻、电容的PCB(印制电路板)技术等。这就要求其在巩固自身在集成封装领域地位的同时,还要不断加强自身的发展。另外如何解决LTCC材料与异质材料的共烧匹配性,寻求更高电性能低温共烧陶瓷材料等问题也有待解决。
我国在LTCC技术领域还处于起步阶段,尚未形成产业规模。从技术角度而言,积极开发和推广低温共烧陶瓷材料,使其产业化,产权自主化,并形成一定的材料体系和产业规模,应当成为当前信息功能陶瓷领域的重要研究任务之一。另外,随着环境保护和可持续发展的要求,又向功能陶瓷特别是LTCC材料提出环境友好性的要求,这些都为LTCC技术的研究和发展提供了前所未有的机遇和挑战。可见,加大在LTCC技术领域投资和科研力度,建立具有自主知识产权的新型信息高技术产业体系,整体提升我国电子集成领域的技术水平和国际竞争力将成为今后一段时期科研工作的主要任务。




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全球LTCC产值(单位:百万美元)






  LTCC技术优点


    LTCC技术结合了厚膜技术和高温共烧陶瓷技术的优点,可以将基板、电极材料、无源元件(电阻、电感和电容等)和导体材料等一次烧成,提高了生产效率,缩短了生产周期,使自动化程度大大提高。与其他微电子封装工艺相比,LTCC技术制备片式无源集成器件和模块具有许多优点。



责任编辑:电子信息产业网
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