低温共烧多层陶瓷(LTCC)技术特点与应用上课讲义

单芯片模块技术尚未实用化之前，被动元件在成本及特性的因素下，无法完全整合于IC内，必须利用外接的方式来达到功能模块，但是因为在功能模块上所使用的被动元件数目相当多，容易造成可靠度低、高生产成本及基板面积不易缩小等缺点，所以利用低温共烧多层陶瓷（Low-Temperature Co-fired Ceramics；LTCC）技术来克服上述的缺点。

低温共烧陶瓷以其优异的电子、机械、热力特性，已成为未来电子元件积集化、模块化的首选方式，在全球发展迅速，目前已初步形成产业雏形。

低温共烧陶瓷技术成被动元件显学
低温共烧多层陶瓷技术提供了高度的主动元件或模块及被动元件的整合能力，并能到模块缩小化及低成本的要求，可以堆叠数个厚度只有几微米的陶瓷基板，并且嵌入被动元件以及其它IC，所以近年来LTCC是被动元件产业极力开发的技术。

低温共烧多层陶瓷技术是利用陶瓷材料作为基板，将低容值电容、电阻、耦合等被动元件埋入多层陶瓷基板中，并采用金、银、铜等贵金属等低阻抗金属共烧作为电极，再使用平行印刷来涂布电路，最后在摄氏850-900度中烧结而形成整合式陶瓷元件。

除了芯片、石英震荡器、快闪存储器以及大电容和大电阻之外，大多数的被动元件及天线都能采用低温共烧多层陶瓷（LTCC）技术来将元件埋入基板，容易的地将被动元件与电路配线集中于基板内层，而达到节省空间、降低成本的SoP（System on Package）目标，开发出轻、薄、短、小及低成本的模块。

图2：利用多层多成分陶瓷的共烧而实现被动元件集成
电子元件的模块化已成为产品必然的趋势，尤其以LTCC技术生产更是目前各业者积极开发的方向。

目前可供选择的模块基板包括了LTCC、HTCC（高温共烧陶瓷）、传统的PCB 如FR4和PTFE（高性能聚四氟已烯）等。

不过由于HTCC的烧结温度需在1500℃以上，而所采用的高熔金属如钨、钼、锰等导电性能较差，所以烧结收缩并不如LTCC易于控制，但是，HTCC也不是全无优点，表1、表2为高温共烧陶瓷多层基板的一些优点。

HTCC是一种成熟技术，产业界已对材料和技术已有相当的了解。

并且，氧化铝的机械强度比LTCC介质材料的机械强度高得多，可使封装较牢固和更持久。

此外，氧化铝的热导率比LTCC介质材料的热导率几乎要高20倍。

在介电损耗方面，RF4要比LTCC来的高，而虽然PTFE的损耗较低，但绝缘性却不如LTCC。

所以LTCC比大多数有机基板材料提供了更好地控制能力，在高频性能、尺寸和成本方面，比较之下LTCC比其它基板更为出色。

利用LTCC技术开发的被动元件和模块具有许多优点，包括了，陶瓷材料具有高频、高Q特性；LTCC技术使用电导率高的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的质量；可适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板优良的热传导性；可将被动元件嵌入多层电路基板中，有利于提高电路的组装密度；具有较好的温度特性，如较小的热膨胀系数、较小的介电常数温度系数，可以制作层数极高的电路基板，可以制作线宽小于50μm 的细线结构。

LTCC封装业者对于线宽的发展也相当的积极，例如，日本KOA利用喷墨技术将含有银的材料将图案印刷到绿色薄片上，然后进行烧结来以达到20μm的线和线距。

所以包括日本、美国等大厂，例如Kyocera、Soshin、TDK、Dupont、CTS、NS等业者对于LTCC（多层低温共烧陶瓷）的开发都相当积极，另外也有部份业者建构LTCC的绕线布局设计软件及资料库，相信未来低温共烧多层陶瓷（LTCC）技术将会是甚被期待的被动元件技术之一。

材料的选用关系著LTCC的优劣
高频化是数码3C产品发展的必然趋势。

就像目前第三代移动通信系统的频率高达2GHz 左右。

这对于对陶瓷材料来说，如何适应高工作频率是一个严苛的挑战。

因此，陶瓷材料必须提供良好高频特性以及工作频率的功能，所以微波介质陶瓷材料及新型微波元件是积极被开发的课题。

例如开发适合应用于微波应用的低损耗、温度稳定的电介质陶瓷材料，可以被应用在微波谐振器、滤波器、微波电容器以及微波基板等等。

所以求高介电常数、高质量、低频率温度系数是目前微波介质陶瓷材料研究的重点。

介电常数是LTCC材料最关键的性能。

目前，LTCC技术最常被应用于手机的射频系统上，而谐振器的长度与材料的介电常数的平方根是成反比，所以当元件的工作频率较低时，如果使用低介电常数的材料，那么谐振器的长度就长得无法接受。

介电损耗也是射频元件设计时一个重要参数，直接与元件的损耗相关，所以当然期望材料介电损耗能越小越好。

日本积极发展不同介电常数材料堆叠
在生产的技术上，目前，大部分在基板上都是堆叠相同介电常数的基板。

但是已经开始有业者尝试著将不同的材料或者将磁性材料堆叠在一起，也就是意味著，将不同介电常数的基板堆叠在一起。

例如，在DC-DC Converter的模块中，堆叠了磁性材料后就可以形成一个1.5μH电感，然后再加上一个MOSFET后就可以完成一个单芯片的DC-DC Converter，并且降低Converter的体积。

就像Panasonic试著在LTCC层之间注入磁性剂，借以形成电感，而日立金属也正发展这方面的技术。

而共烧不同特定介电常数的材料这一方面，期望在单一模块中封装两个不同特性的元件，例如Soshin Electric堆叠介电常数为25和81的材料，来将滤波器和平衡／Balum封装在同一个模块之内。

但是堆叠不同介电常数或磁性材料还有一些技术上的问题需要克服。

例如陶瓷在烧结期间的缩小变化。

一般来说，利用LTCC技术的陶瓷材料缩小率大概在1520％左右，但是，如果在堆叠不同材料之后，在烧结的过程中，这些不同介电常数材料会出现不同的缩小率，使得烧结后模块会产生变形的现象。

除了缩小率之外，膨胀系数也是一个问题，系数不同材料，在烧结过程中当然会出现不同的膨胀现象，同样的，也会使得烧结后模块会产生变形甚至于失败的现象。

图3：陶瓷介质、铁氧体共烧系统的烧结收缩速率曲线和收缩曲线。

（资料来源：北京清华大学材料科学与工程系实验室）
另外，开发出高介电常数的材料也是业界努力的另一个方向。

由于采用高介电常数的材料可以提高电容量，以目前来说，使用介电常数100左右的材料，所内建的只有电容量大概几百个pF，但是如果使用介电常数1000的材料，可以将电容量提高到0.01μF以上。

LTCC的TCE值较接近矽和砷化镓
射频元件电性能的温度稳定性是取决于材料的温度系数，为了保证利用LTCC技术生产元件的可靠性，所以在进行材料选择时，必须考虑到耐热性能力，其中最关键的是热膨胀系数，需要尽可能与基板相匹配。

此外，考虑到加工及以后的应用，LTCC材料还要满足多项机械性能的要求，例如弯曲强度、硬度、表面平整度、弹性模量及断裂韧性等等。

图4是IC封装的各种材料的热膨胀系数，可以发现LTCC、氧化铝和其它陶瓷封装的TCE 接近Si、砷化镓以及磷化铟的TCE值，而有机印制电板路材料的TCE值都比Si、砷化镓高出很多。

图4：用于IC制造、封装和连接材料的TCE
与矽和砷化镓的TCE值相接近的材料，可以减小机械应力、而可以应用在尺寸较大的芯片，不必使用有机叠层。

减小热不匹配性还可以增强机械的整体性，降低温度特性的变化，以及增加类比、数码和光学、电子技术的集成能力。

图5则是比较了陶瓷和有机印制电路板材料的热导率。

可以发现，陶瓷材料的热导率都很高，其中氧化铝基板的热导率是PCB有机材料的100倍，LTCC材料的热导率是有机叠层的20倍。

热导率越高，可以简化散热设计，进而提高电路的寿命和可靠性。

目前有许多光学元件要求气密性封装且热性能好，但传统的气密性封装技术成本相当高，而要结合陶瓷材料的低温共烧技术，具有成本低廉的优势，可以取代传统的气密性封装，并达到高可靠性。

图5：陶瓷和有机PCB材料的导热率
LTCC需面对的问题
制作生产过程中，还必须注意的要点包括了，必须在900℃以下的温度下烧结成致密、
无气孔的结构；致密化温度不能太低，以免阻止银浆材料和有机物的排出；加入适当有机材料后可流延成均匀、光滑、有一定强度表面。

但是就基板材料而言，LTCC技术并非是业者唯一的选择，由于LTCC是利用烧结陶瓷材料制作，所以耐冲击的能力上也就出现了一些问题，例如基板太薄时容易破裂等，但是为了提高抗冲击而将基板面积做得较小时，那么被设计在其中的元件数量也就随之减少。

例如，当客户要求元件不得超过1.2平方毫米时，封装生产业者或许就会选择高介电常数或Q值的塑料材料。

另外对于产品而言，是否需要如此小的模块面积，也是产品客户的考量，就像在目前面积约为3.2平方毫米的GSM手机天线开关模块中，就包括了34个RF滤波器、阻抗匹配电路及其它功能的几十个零组件。

但是，产品客户未必会花费更多的成本来采用LTCC封装技术，让模块的尺寸再缩小到2平方毫米以内，因为，这与客户所考量的价值性息息相关，与其花费较多的成本只缩小了接近一半模块的面积，倒不如利用这些成本来提高手机的功能性。

LTCC已被积极的应用在各领域
由于LTCC是以陶瓷为介电材料，具有高Q值与高频的特性，因而非常适用于高频通讯模块中，LTCC主要用于手机通讯、蓝芽（Bluetooth）、无线网络（WLAN）与全球卫星定位系统（GPS）的产品中。

目前通讯产品中运用LTCC技术制作的整合型元件有功率放大器、天线、滤波器等。

以手机为例，目前每个手机中约有200个以上的被动元件，因此被动元件的小型化决定了手机的轻薄，这样的需求推动了被动电子陶瓷元件的小型化、积集化。

因此使用多元复合、集成化被动元件，使缩小手机体积尺寸，并提高元件密度的最佳解决方案。

因此，多层陶瓷元件正由单一元件朝向复合多元、高集成化趋势发展。

过去，LTCC较常被应用在手机中射频的基板上，利用LTCC技术可以将包括AP、滤波器、微带滤波器、多层天线等等10多个元件整合在几公厘平方的封装之中。

以滤波器为例，由LTCC 制成的滤波器，频率可以从数十MHz直到5.8GHz，再加上LTCC滤波器在体积、价格和温度稳定性等方面有其优势性，所以已经被广泛的使用。

另外一些包括收发前端模块、功率模块和蓝芽模块等，也已成功开发利用LTCC技术将芯片与被动元件积集于同一基板上。

但是，随著加入者数量陆续增加，让市场产生了激烈竞争的现象，使得业者陆续开发更多的应用领域。

目前LTCC技术已经迈入更新的应用阶段，包括了无线区域网络、地面数码广播、全球定位系统接收器模块、数码信号处理器和存储器等等以及其它电源供应模块、甚至是数码电路模块基板。

例如有村田、三菱电工、京瓷、TDK、Epcos、日立、Avx等十多家开发的手机天线开关模块，NEC、村田和易利信等开发的蓝芽模块，都是由LTCC技术制成的。

此外，LTCC模块因其结构紧实、高耐热和耐冲击性，目前在军工和航天设备已广泛的被应用，预计未来在汽车电子系统上的应用也会非常普遍。

LTCC综合高温共烧陶瓷技术和厚膜封装技术的特点，提供高密度、高可靠性、高性能及低成本的封装。

引人注目的特点是能够使用良导体做布线，并使用介电常数较低的陶瓷，来减小电路损耗和信号传输延迟。

由于LTCC的高频特性、热传导性、热膨胀系数、成本低及制作周期短的特点完全满足宽频无线通讯与高积集性半导体产品的要求，同样也是光纤和光电子封装的理想材料。