LTCC调研报告

LTCC的发展现状及趋势

1 LTCC简介

低温共烧陶瓷(Low-temperature cofired ceram-ics,LTCC)技术，就是将低温烧结陶瓷粉经过流延制成厚度精确而且致密的生瓷带，作为电路基板材料，在生瓷带上打孔、微孔填充、精密导体浆料印刷、叠片以及层压等工艺制出所需要的电路图形，并将多个无源元件埋入其中，然后叠压在一起，在900℃下烧结，制成三维电路网络的无源集成组件，也可制成内置无源元件的三维电路基板，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块。随着微电子信息技术的迅猛发展，电子整机在小型化、便携式、多功能、数字化及高可靠性、高性能方面的需求，对元器件的小型化、集成化以至模块化要求愈来愈迫切。LTCC 是1982年由休斯公司开发的新型材料技术。它采用厚膜材料，根据预先设计的结构，将电极材料、基板、电子器件等一次性烧成，是一种用于实现高集成度、高性能的电子封装技术。LTCC 技术集中了厚膜技术和高温共烧陶瓷技术(High Temperature Co-fired Ceramic, HTCC)的优点，有更广阔的应用前景。目前，LTCC普遍应用于多层芯片线路模块化设计中，它除了在成本和集成封装方面的优势外，在布线线宽和线间距、低阻抗金属化、设计的多样性及优良的高频性能等方面有更广阔的发展前景。

2 LTCC关键技术

LTCC基板材料性能 , 一般通过介电常数、损耗、热膨胀系数和导热性等几方面综合评价。

2.1 介电常数及应用

介电常数是LTCC材料最关键的性能参数之一。在现代微电子组装技术应用中 ,要求相对介电常数在2～20000范围内实现系列化 ,以适用于不同的工作频率。例如相对介电常数为3.8的基板适用于高速数字电路的设计;相对介电常数为6～80的基板可很好地完成高频线路的设计 ;相对介电常数高达20000的基板 ,则可以使高容性器件集成到多层结构中。高频化是 3C产品发展必然的趋势 ,发展低介电常数(ε≤10)的LTCC材料以满足高频和高速的要求是LTCC材料如何适应高频应用的一个挑战。FerroA6和DuPont的901系统相对介电常数为

5. 2～5.9,ESL公司的4110-70C为 4.3～4.7,NEC公司LTCC基板相对介电常数3.9左右 ,相对介电常数低达2.5的正在开发。频率器件的尺寸大小与介电常数的平方根成反比 ,因此作为介质材料时 ,要求介电常数要大 ,以减小器件尺寸。目前 ,超低损耗的极限或超高Q值、相对介电常数 (>100)乃至>150的介质材料是研究的热点。需要较大电容量的电路 ,可以采用高介电常数的材料 ,也可在LTCC介质陶瓷基板材料层中夹入有较大介电常数的介质材料层 ,其相对介电常数可在 20～100之间选择。因此研发更宽范围介电常数的 LTCC生瓷带系列产品成为市场需求。

2.2 热膨胀系数(CTE)

热膨胀系数是影响LTCC器件性能级可靠性的关键因素之 ,其热膨胀系数应尽可能与其要焊接的电路板相匹配。常见基板材料的热膨胀系数如图4所示。由于 LTCC陶瓷材料的热膨胀系数与氧化铝硅、砷化镓及磷化铟等电路布线材料的值接近 ,由这些材料形成的结构在烧结时层间收缩变形一致性好,从而减小了器件结构的热不匹配性和机械应力 ,保证了器件的整体性能和可靠性。

2.3低温共烧技术

LTCC材料研究中的另一个热点问题就是共烧材料的匹配性。将不同介质层(电容、电阻、电感、导体等 )共烧时 ,要控制不同界面间的反应和界面扩散 ,使各介质层的共烧匹配性良好 ,界面层间在致密化速率、烧结收缩率及热膨胀速率等方面尽量达到一致 ,减少层裂、翘曲和裂纹等缺陷的产生。常用LTCC技术的陶瓷材料收缩率大约为15%～20%左右。若两者烧结无法匹配或兼容 ,烧结之后将会出现界面层分裂的现象;如果两种材料发生高温反应,其生成的反应层又将影响原来各自材料的特性。对于不同介电常数和组成的两种材料的共烧匹配性以及如何减少相互间的反应活性等是研究的重点。在LTCC应用于高性能系统时,对收缩行为的严格控制关键在于对LTCC共烧体系烧结收缩率的控制,LTCC共烧体系沿X-Y方向的收缩一般为12%～16%。采用无压烧结或助压烧结新技术,可获得沿X-Y方向较小收缩率或零收缩率的烧结 ,在 LTCC共烧层的顶部和下部放置压片作为收缩率控制层。借助控制层与多层之间一定的粘结作用及控制层严格的收缩率 ,限制了 LTCC结构沿 X、Y方向的收缩行为。为了补充基板沿X-Y方向的收缩损失 ,基板将沿 Z 方向进行收缩补偿。结果,LTCC结构在X、Y方向上的

尺寸变化只有0.1%左右,从而保证了烧结后,布线及孔的位置和精度,保证器件质量。

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是重要挑战 ,它关系到多层金属化布线的质量。LTCC共烧时 ,基片与浆料的烧结特性不匹配主要体现在三个方面(1)烧结致密化完成温度不一致(2)基片与浆料的烧结收缩率不一致(3)烧结致密化速度不匹配。这些不匹配容易导致烧成后基片表面不平整、翘曲、分层。不匹配的另一个后果是金属布线的附着力下降。好的LTCC材料和银导线和目前 LTCC工艺兼容 ,在X-Y方向上有小于0.2%的收缩 ,收缩的变化量小于 0.014%。

3 LTCC发展现状

3.1 LTCC国内发展现状

国内LTCC技术起步较晚，但是发展迅速，在国内也有众多的大专院校、研究所和单位开展了对LTCC技术的研究，现阶段主要集中在工艺、材料、检测技术以及用LTCC形式实现的混合集成电路。电子55所、电子01所、电子38所等单位都已近有相关样品出现。张家港灿勤电子元件有限公司、浙江正原电气股份有限公司、深圳南坡集团等也已经有商品化的LTCC电容、电感、滤波器等样品上市。东南大学毫米波国家重点实验室进行了LTCC三维微波传输结构的研究，中国香港和台湾省的一些高校也开展了相关研究，也取得了很好的成果。

3.2 LTCC国外发展现状

20世纪90年代初，国外就开始对LTCC展开了研究，主要集中在一下三个方面;

（1）对LTCC多层布线基板制造技术进行研究。包括基板材料、介质材料、布线金属材料、电阻材料等在毫米波段的特性研究。同时对毫米波LTCC组件中的内埋置无源器件、传输线间的转换结构、互连通孔、互连模型、互连寄生参量等展开了研究。从工艺、材料和电气性能上验证了毫米波LTCC组件的可行性并体现了毫米波LTCC组建的优点。

（2）对基于LTCC技术微波器件集成的研究。包括有源和无源器件。主要集中在LTCC滤波器和谐振器等无源器件的研究。无源器件是直接在LTCC多层布线基板上制作实现，而有源器件主要是把GaAs MMIC在LTCC多层布线基板上实现集