近半個世紀以來，半導體集成技術的迅猛發展使得人類進入了今天這個高度電子信息化的社會。然而，半導體器件僅僅是電子元器件的一部分（主動元件，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源元件（被動元件，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的迅猛發展，電子元件小型化、高度集成化及模塊化的需求愈來愈迫切。當前整機系統中，無源元件和有源器件的比例在20:1至100:1左右（來自今中佳彥先生06年專著的數據，僅供參考），無源元件構成了整機產品中體積、重量和安裝成本的主要部分。相比于有源器件的高歌猛進式的發展，無源元件的集成化卻一直是電子元器件技術發展的“瓶頸”，今天與大家分享的“多層低溫共燒陶瓷技術(Low-Temperature?Co-fired?Ceramics，LTCC)”便是為此而生的一個重要技術，它使無源元件的高度集成化成為了可能，對電子元件的制造技術有著重要影響。

圖1：LTCC熱點應用舉例：利用LTCC技術，開發將多元天線的關鍵設備天線陣列和BPF（帶通濾波器）集合為一體的“LTCCAiP（封裝天線）”設備。通過采用低介電常數、低損耗的新型LTCC材料等措施，實現5G通信所需的高特性，同時還具有卓越的量產性、環境耐受性、放熱特性等，使靈活的5G通信系統設計成為可能。（圖片及說明來源：TDK）

LTCC技術及其相關材料

多層陶瓷基板技術（由流延法制備技術、過孔形成技術和多層疊層技術等結合的技術）由美國無線電（RCA）公司于20世紀50年代末期所開發，因為這些多層基板是用氧化鋁絕緣材料和導體材料（Mo、W、Mo及Mn，見下表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，現指燒結溫度大于1000℃的共燒技術），以區別于后來開發的低溫共燒陶瓷。

20世紀80年代的中期，多層陶瓷基板的應用使大型計算機性能（計算速度等）的得到有效提高，為了繼續提高安裝電路板的配線密度，使用了精細的導線，結果線路電阻增大，信號傳輸顯著衰減。為了解決這個問題，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，其熔點都在1000℃左右，見表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（900~1000℃）以下是非常必要的。低溫共燒陶瓷技術的開發（LTCC）為實現低損耗、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（來源：知乎網友）

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：導體材料的電阻率和熔點

LTCC工藝流程

典型的多層陶瓷基板的基本制造過程如下圖2。首先，陶瓷粉末和有機黏結劑混合配成漿料，用刮刀法將料漿流延成陶瓷薄片（生片，這種生片在燒結前柔軟如紙）。生片各層間開有導電過孔，采用絲網印刷方法用導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，以實現疊層（生片中的樹脂在疊層膠接時起到粘接的的作用）。隨后將導體金屬和陶瓷一同煅燒，排出其中的有機膠，最終獲得陶瓷基板。需要注意是，注意制造過程與最終產品的尺寸精度和材料質量的變化。

圖2：典型的多層陶瓷基板的制造過程

為了在基板內埋入多樣無源功能器件，需要將不同材料的生片進行疊層，由于采用的薄層材質不同，將這些材料進行共燒需要非常高的技術。在低溫共燒陶瓷中實現集成，由于是嵌入層內，在設計時是相當自由的。而且，可以根據功能要求來選擇特殊的專用材料。無源功能可以整合在低溫共燒陶瓷內，此時介電常數大約為5的低介材料層用做信號配線，使之能高速傳輸，介電常數大約為15的中介材料層用做濾波器，介電常數1000或更高的高介材料層用做消除信號噪聲、電壓補償等。

圖3：低溫共燒陶瓷基板可埋入多樣的無源功能器件

LTCC特性及典型應用

在集成無源器件方面，和印刷樹脂板相比，低溫共燒陶瓷有三大優勢，即高頻特性、熱穩定性和電容量。在高頻應用中，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。與樹脂印刷電路板相比，低溫共燒陶瓷更適合于高頻應用。

低溫共燒陶瓷產品可分成三個類型：即模塊、基板/封裝及分立器件。所有類型的產品目前都在商業化的無線通信中得到應用。

表4：低溫共燒陶瓷產品的分類

圖4：LTCC典型應用實例：射頻模塊封裝。可應用于手機等移動電子設備的射頻模塊：電視調諧器、無限LAN、藍牙(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)。（圖片及說明來源：京瓷）

參考資料：

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

2、TDK、京瓷等官網

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