近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，半導(dǎo)體集成技術(shù)的迅猛發(fā)展使得人類進(jìn)入了今天這個(gè)高度電子信息化的社會(huì)。然而，半導(dǎo)體器件僅僅是電子元器件的一部分（主動(dòng)元件，有源器件），另一部分用量巨大、種類繁多、功能各異的元器件是無(wú)源元件（被動(dòng)元件，主要是電阻類、電感類和電容類元件），這些元件的核心材料是各類功能陶瓷材料。

隨著微電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子元件小型化、高度集成化及模塊化的需求愈來(lái)愈迫切。當(dāng)前整機(jī)系統(tǒng)中，無(wú)源元件和有源器件的比例在20:1至100:1左右（來(lái)自今中佳彥先生06年專著的數(shù)據(jù)，僅供參考），無(wú)源元件構(gòu)成了整機(jī)產(chǎn)品中體積、重量和安裝成本的主要部分。相比于有源器件的高歌猛進(jìn)式的發(fā)展，無(wú)源元件的集成化卻一直是電子元器件技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”，今天與大家分享的“多層低溫共燒陶瓷技術(shù)(Low-Temperature?Co-fired?Ceramics，LTCC)”便是為此而生的一個(gè)重要技術(shù)，它使無(wú)源元件的高度集成化成為了可能，對(duì)電子元件的制造技術(shù)有著重要影響。

圖1：LTCC熱點(diǎn)應(yīng)用舉例：利用LTCC技術(shù)，開(kāi)發(fā)將多元天線的關(guān)鍵設(shè)備天線陣列和BPF（帶通濾波器）集合為一體的“LTCCAiP（封裝天線）”設(shè)備。通過(guò)采用低介電常數(shù)、低損耗的新型LTCC材料等措施，實(shí)現(xiàn)5G通信所需的高特性，同時(shí)還具有卓越的量產(chǎn)性、環(huán)境耐受性、放熱特性等，使靈活的5G通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為可能。（圖片及說(shuō)明來(lái)源：TDK）

LTCC技術(shù)及其相關(guān)材料

多層陶瓷基板技術(shù)（由流延法制備技術(shù)、過(guò)孔形成技術(shù)和多層疊層技術(shù)等結(jié)合的技術(shù)）由美國(guó)無(wú)線電（RCA）公司于20世紀(jì)50年代末期所開(kāi)發(fā)，因?yàn)檫@些多層基板是用氧化鋁絕緣材料和導(dǎo)體材料（Mo、W、Mo及Mn，見(jiàn)下表3）在1600℃的高溫下共燒的，故而稱為高溫共燒陶瓷（High temperature co-fired ceramics，HTCC，現(xiàn)指燒結(jié)溫度大于1000℃的共燒技術(shù)），以區(qū)別于后來(lái)開(kāi)發(fā)的低溫共燒陶瓷。

20世紀(jì)80年代的中期，多層陶瓷基板的應(yīng)用使大型計(jì)算機(jī)性能（計(jì)算速度等）的得到有效提高，為了繼續(xù)提高安裝電路板的配線密度，使用了精細(xì)的導(dǎo)線，結(jié)果線路電阻增大，信號(hào)傳輸顯著衰減。為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須使用低電阻的材料材料替代（所有低電阻率的金屬如Cu、Au、Ag或者類似材料，其熔點(diǎn)都在1000℃左右，見(jiàn)表3）配線。為了使陶瓷材料能和這些金屬共燒，低溫共燒陶瓷的燒結(jié)溫度就必須低于1000℃，因此精確控制溫度在低電阻金屬的熔點(diǎn)（900~1000℃）以下是非常必要的。低溫共燒陶瓷技術(shù)的開(kāi)發(fā)（LTCC）為實(shí)現(xiàn)低損耗、高速度和高密度封裝目的起到非常重要的意義。

表1：低溫共燒陶瓷VS高溫共燒陶瓷（來(lái)源：知乎網(wǎng)友）

LTCC典型材料。顧名思義，低溫共燒陶瓷是陶瓷和金屬在低溫下一同燒成的，它的主要材料是金屬和陶瓷。低溫共燒陶瓷所用的金屬是高電導(dǎo)材料（Ag、Cu、Au及其合金，如Ag-Pd、Ag-Pt、Au-Pt等）。

表2：低溫共燒陶瓷和高溫共燒陶瓷主要材料比較

表3：導(dǎo)體材料的電阻率和熔點(diǎn)

LTCC工藝流程

典型的多層陶瓷基板的基本制造過(guò)程如下圖2。首先，陶瓷粉末和有機(jī)黏結(jié)劑混合配成漿料，用刮刀法將料漿流延成陶瓷薄片（生片，這種生片在燒結(jié)前柔軟如紙）。生片各層間開(kāi)有導(dǎo)電過(guò)孔，采用絲網(wǎng)印刷方法用導(dǎo)電糊膏將線路圖案印在生片上。印刷的生片按層排列，加熱并施加壓力，以實(shí)現(xiàn)疊層（生片中的樹(shù)脂在疊層膠接時(shí)起到粘接的的作用）。隨后將導(dǎo)體金屬和陶瓷一同煅燒，排出其中的有機(jī)膠，最終獲得陶瓷基板。需要注意是，注意制造過(guò)程與最終產(chǎn)品的尺寸精度和材料質(zhì)量的變化。

圖2：典型的多層陶瓷基板的制造過(guò)程

為了在基板內(nèi)埋入多樣無(wú)源功能器件，需要將不同材料的生片進(jìn)行疊層，由于采用的薄層材質(zhì)不同，將這些材料進(jìn)行共燒需要非常高的技術(shù)。在低溫共燒陶瓷中實(shí)現(xiàn)集成，由于是嵌入層內(nèi)，在設(shè)計(jì)時(shí)是相當(dāng)自由的。而且，可以根據(jù)功能要求來(lái)選擇特殊的專用材料。無(wú)源功能可以整合在低溫共燒陶瓷內(nèi)，此時(shí)介電常數(shù)大約為5的低介材料層用做信號(hào)配線，使之能高速傳輸，介電常數(shù)大約為15的中介材料層用做濾波器，介電常數(shù)1000或更高的高介材料層用做消除信號(hào)噪聲、電壓補(bǔ)償?shù)?/span>。

圖3：低溫共燒陶瓷基板可埋入多樣的無(wú)源功能器件

LTCC特性及典型應(yīng)用

在集成無(wú)源器件方面，和印刷樹(shù)脂板相比，低溫共燒陶瓷有三大優(yōu)勢(shì)，即高頻特性、熱穩(wěn)定性和電容量。在高頻應(yīng)用中，低溫共燒陶瓷也非常適合制作集成基板和電子器件。陶瓷材料的tanδ比樹(shù)脂材料的tanδ小，而且，低溫共燒陶瓷的tanδ是用以制作印刷電路板的FR４材料的1/3。與樹(shù)脂印刷電路板相比，低溫共燒陶瓷更適合于高頻應(yīng)用。

低溫共燒陶瓷產(chǎn)品可分成三個(gè)類型：即模塊、基板/封裝及分立器件。所有類型的產(chǎn)品目前都在商業(yè)化的無(wú)線通信中得到應(yīng)用。

表4：低溫共燒陶瓷產(chǎn)品的分類

圖4：LTCC典型應(yīng)用實(shí)例：射頻模塊封裝。可應(yīng)用于手機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備的射頻模塊：電視調(diào)諧器、無(wú)限LAN、藍(lán)牙(Bluetooth?)、超寬帶(UWB)、前端模塊(FrontendModule)、功率放大器、陶瓷濾波器(SAWFilter)、雙工器(Duplexer)。（圖片及說(shuō)明來(lái)源：京瓷）

參考資料：

1、多層低溫共燒陶瓷技術(shù)，科學(xué)出版社；日本富士通公司，今中佳彥（YoshihikoImanaka）著；詹欣祥，周濟(jì)譯。

2、TDK、京瓷等官網(wǎng)

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