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低温共烧陶瓷(LTCC)技术应用进展_图文

低温共烧陶瓷 (T C L C )技术应用进展
曾志毅,王浩勤,尉旭波             
( 子科技大学 电 电 子科学 技术研究院,四川成都 605 ) 1 4
摘 要:      作为一种新兴的集成封装技术, 低温共烧陶瓷 (T C) LC 技术以其优良 频和高 的高 速传输特性、小 型化、高可靠而备受关注.介绍了 低温共烧陶瓷技术的工艺、材料特性、应用及发展趋势,分析其在功能模块 领域应用的可行性. 关键词:LC     T C技术;工艺;材料特性; 应用;发展趋势 中图分类号:T 8      M2 文献标识码:A 文章编号:1 1 5 ( 7 2 以 一 0 一 3 2 ) 刁 〕0 3 00 0 7 4

D vl m n oL wTm ea r C ?r ea i( ,C Tcnl y ee P etf o e Prte o e o u i f dC rm c1 C ) h o g 1 e o
Z N hy 硒 N a一nWE X 一                 o E GZi , 伙 GH q , I u 一 i o i b R er lst : Eetn si c a Tcnl U i r oEet n s h i tf c c n d e c ntu o l r icc e n eh o 舒 n v s flcr i a e o o e勿 o c c e 凌T nl y h n h nu 104C n Si c e ho g oC i C e d 石0万, i n c o f , a g h a
A s at ^ e tri n a n eho 戮 t l t pr r bt c: san e an dp k gt nl h o e e a e r w访 g tga c i c o ew m t U
d i h ne ih p e h rc i i e sc c e n1 t ho g ar t c s tno f i ecln i f qec    h g s e d 仃 n fr c aa tr t s o ta f eaetn o t xeeth h r uny 田l hg s ‘ a s y t s o C ti r s l g e e 而n t Z i ,i ri i . ts a r e hi, ar ca t sc 即Pc i ad vl m ntn lua o h h l l I h Pp , t n sm i h e ts lao n d e e t d a r n g e a i n i e t e c t a r ri , i n i t b t y hc e l c i t e o p e r f T Ct m l y n 刁c a i P 1an e b t n e nt o lr ial e . oLC e Io g a i代 ue, dtaPc o f il it f co m u a as a Zd C o r t dn s i e i t s i a iy h u i d e n e n y

K y od:T c ℃nl e w r LC 抚ho 盯;p 毖5 ad h t s s s o r 5 创 ;mt 吐ca e 桩 ;即pc o;dvo ntn e c r hc la n e e卿e r d i i t l t e

1引言
近年来随着军用电子整机、      通讯类电子产品及 消费类电子产品迅速向短、 轻、 小、 薄方向发展, 手机、P A D 、MP 、笔记本电脑等终端系统的功 3 能愈来愈多,体积愈来愈小,电路组装密度愈来

愈高[3 若能将部分无源元件集成到基板中, ‘。 一 1 则
不仅有利于系统的小型化,提高电路的组装密度, 还有利于提高系统的可靠性。

目      前的集成封装技术主要有薄膜技术、 硅片半

导体技术、 多层电路板技术以 T C技术。T C 及LC LC 技术是一种低成本封装的解决方法, 具有研制周期 短的 特点。 本文综合介绍了LC T C技术的现状、 工 艺及其优势, 探讨了LC T C技术在开发功能 器件及 模块, 特别是高频功能模块应用的可行性。

T C技术, LC 就是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确 而且致密的生瓷带, 在生瓷带上利用激光打孔、 微 孔注浆、 精密导体浆料印刷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, 9 ℃左右烧结,制成三维电路网络的无 在 0 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 I 和有源器件,制成无源/ C 有源集成的功能模块。 总之, 利用这种工艺可以成 功地制造出各种高技术L C T C产品。以多层 L C T C 开发的产品具有系统面积最小化、高系统整合度、 系统功能最佳化、较短的上市时间及低成本等特 性, 从而具有相当的竞争力。 相对于传统的封装集 成技术 L C T C技术具有如下优点:

( 陶瓷材料具有优良      ) 1 的高频高Q特性, 使
用频率可高达几十 G z H; ( )具有较好的温度特性,如较小的热膨胀      2
系数、较小的介电常数温度系数;

Z LC T C技术概述
LC      T C技术是一门新兴的集成封装技术。 所谓
收稿日 期:2 7 1 0 一一 02 6 修回日 期: 07 3 2 一一 00 7 作者通信: 一a xw @ s . u Em L e u te . i b i e e dc n

()可以制作层数很多的电路基板,并可将      3 多个无源元件埋入其中,除 L 、C外,还可以 、R

减性材料及器件

2 年4 7 0 月

将敏感元件、 M 抑制元件、 E I 电路保护元件等集成 在一起,有利于提高电路的组装密度; ()能集成的元件种类多、参量范围        4 大,可 以在层数很多的三维电路基板上, 用多种方式键连 I C和各种有源器件,实现无源/ 有源集成; 5 ( )可靠性高,耐高温、高湿、冲振,可应        用于恶劣环境; LC      T C技术以其优异的电学、机械、热学及工 艺特性, 将成为未来电子器件集成化、 模块化的首 选方式, 从技术成熟程度、 产业化程度以及应用广 泛程度等角度来评价,目 前, C T L C技术是无源集
成的主流技术。

技术可实现更小的容差。 第二步:      把生 ( 未烧结) 瓷带按需要的尺寸进
行裁切。

3 LC T C工艺概述
图1      T C工艺流程, 给出了L C 主要有混料、 流 延、打孔、填孔、丝网印刷、叠片、等静压、 排胶 烧结等主要工序,下面简单介绍各个工序工艺。 第一步:混料、      流延。 将有机物 ( 主要由聚合 物粘结剂和溶解于溶液的增塑剂组成)和无机物 (    由陶瓷和玻璃组成) 成分按一定比例混合, 用球 磨的方法进行碾磨和均匀化, 然后浇注在一个移动 的载带上 ( 通常为聚酷膜) ,通过一个干燥区,去 除所有的溶剂, 通过控制刮刀间隙, 流延成所需要 的厚度。 此工艺的一般厚度容差是幼 %。 其他流延

第三步:      利用机械冲压、 钻孔或激光打孔技术 形成通孔。 通孔是在生瓷片上打出的小孔 ( 直径通 常为 0 一 2 ) 用在不同层上以 . 0I , 1. n m 互连电 在 路。 此阶段还要冲制模具孔, 帮助叠片时的对准; 对准 孔用于印刷导体和介质时自 动对位。 第四步:      通孔填充。 利用传统的厚膜丝网印刷 或模板挤压把特殊配方的高固体颗粒含量的导体 浆料填充到通孔。 第五步:      利用标准的厚膜印刷技术对导体浆料 进行印刷和烘干。 通孔填充和导体图形在箱式或链 式炉中按相关工艺温度和时间进行烘干。根据需 要, 所有电阻器、 电容器和电感器在此阶段印刷和
烘干。

第六步:      检查、 整理和对准。 检查、 整理和对 准不同层, 使每层中的对准孔同心并准备叠层。 叠 层期间 ( 无论是单轴还是等静压) ,整理和对准的

基板层被热压在一起 ( 通常为6一 ℃, M a 0 7 Z P下 0 I 1 3而n。 0 0 ) 然后一步共烧叠层。 一 第七步:      排胶、烧结。 0一0℃之间的区域 2 5 被称为有机排胶区 ( 建议在此区域叠层保温最少 6m ) O i 。然后在 51而n将叠层共烧至峰值温度 n 一5 (    通常为 80 。 5 ℃) 气氛烧成金属化的典型排胶和
烧成曲线会用上 2 I 。 一o h 烧成的部件准备好后烧工艺,      如在顶面上印 刷 导体和精密电阻器,然后在空气中烧成。如果 C u 用于金属化, 烧结必须在 姚 链式炉中进行。 然后 对电路进行激光调阻 ( 如果需要) 、测试、切片和

检验,T C LC 封装中可用硬钎焊引 线或散热片( 如果 需要) 。

4 LC T C材料的特性
4 . 1生瓷带材料 T C器件对材料性能的要求包括电性能、 LC      热 机械性能和工艺性能三方面, 介电常数是 L C T C材 料最关健的性能。 由于射频器件的基本单元— 谐 振器的长度与材料介电常数的平方根成反比, 当器 件的工作频率较低 ( 如数百MH 时, ) z 如果用介电 常数低的材料, 器件尺寸将大得无法使用。因此, 最好能使介电常数系列化以适用于不同的工作频
图 I LC T C工艺流程

率。 介电损耗也是射频器件设计时一个重要考虑参
J 即 Ma r e c V 18 N Z Ma e t D讨e O 3 s o

数, 它直接决定了器件的损耗。 理论上希望越小越 好。 而介电常数的温度系数, 也是决定射频器件电 性能温度稳定性的重要参数. 为了保证L C      T C器件的可靠性, 在材料选择时 还必须考虑到许多热机械性能。 最关键的是热 其中 膨胀系数, 应尽可能与其要焊接的电 路板相匹配。 此外,考虑到加工及以后的应用,L C T C材料还应 满足许多机械性能的要求,如弯曲强度J、硬度 v H、表面平整度、弹性模量 E及断裂韧性 天C等 了
等。

()        2 无源集成功能器件:如片式射频无源集 成组件,包括L C滤波器及其阵列、 定向 祸合器、 功分器、功率合成器、B u、天线、延迟线、衰 l a n 减器, 共模扼流圈及其阵列, M 抑制器等。 E I ()      3 无源集成基板:如蓝牙模块基板、手机 前端模块基板、集中参数环行器基板等。 ()        如蓝牙模块、 4 功能模块: 手机前端模块、 天线开关模块、功放模块等。 近年来,      T C技术为基础的多层片式介质 以L C

工艺性能大体可包括如下方面:第一,能在      9 ℃左右的 0 温度下烧结形成致密、无气孔的显微

天线 取得了 足的 长 进步。 ut Al ,bo d M r , g Tk a a l o a n n R gt 等 n a a s 著名公司已 er 经开发出 种结构类型、 各
用于移动通信设备的片式多层天线, 面市, 并已 如 M r 最近推 出了专门用于蓝牙高频模块 的 ut a a L A Z型叠层天线, DG 工作频带 0 一 4 H , . 2 G z 尺寸 8.

结构。 第二, 致密化温度不能太低,以免阻碍银浆 料和生带中有机物的排出。 第三, 加入适当有机材 料后可流延成均匀、光滑、有一定强度的生带。
. 4 2金属导体

为9 n x 刀u x 刀 m 在水平 30 . 。 s u Z nn Z m , 6O 方位内
天线增益一3 i B d ,在垂直平面为一32 B,可用 一0i d

导体浆料通过丝网印刷在烧结后形成电路的      导体部分。 颗粒尺寸、 颗粒组织和尺寸分布在决定 烧成导体的最终电性能和物理性能上起着重要作 用。 选择合适的金属导体取决于各种因素的组合, ‘ 如电阻率、 可焊性、 引线键合力、 用途 ( 通孔填充、 焊接、 接地层) 、附着力、电子迁移、 衰减、 性 F R 能、 外观和成本。 1 表 列举了L C T C技术采用的各 种金属化材料。
表 I LC                T C采用的导体材料
A u 烧成气氛 电阻率/( / mo 口) A g A d P / g PA 公u C u

于C M 、 C D A P 、蓝牙技术等电 D 子产品中。
在片式多层天线发展的同时,片式多层双工      器、 滤波器、 平衡一 不平衡转换器也相继研究开发, Se h n等利用 D Pn 低介常数材料设计,较好解 uo t 决了高介电常数难以 集成问题, 把两个叠层滤波器 ( 带通和带阻滤波器) 集成在 R 电路中,组合成双 F 工器,适用于 D S C 。随后, 松村定幸等发明了一 种具有叠层结构的双工器, 包括并联L 谐振器的 C 第一个三级带通滤波器和具有并联L 谐振器的第 C

空气
4 2  ̄1

空气
29 州

空气
74  ̄ 0

空气
3 ̄ 04 0

氮气
34 州

二个三级带通滤波器。 研制生产用于移动通信的 片 式叠层 L C滤波器品种较多,如中心频率为

. 1 z 外形尺寸 3m X S X .I 0一. H, 9O G .l 冬l I n 2 n n 5 6 l
的高通滤波器:中心频率覆盖 1 一. H ,外形 .5G z 9 S 尺寸 4 r X .nn . 、3 r 。 .O X . s m n 3 l xl n Zr 6 u .n XZ r n Z扣 sr

S LC T C技术应用的现状及动态
LC      广泛应用于宇 T C技术已 航工业、军事、 无 线通信、 全球定位系统、 无线局域网、 汽车等产业。 美国、日 本等著名的D Pn C S N 、 U 、 u t T、 S M a o 、 r t S h、D s o n T K等大公司力推LC i T C技术的 应用。 利 用 LC T C技术,既可制造单一功能元件( 如电阻、 电感、 天线、双工器、滤波器等) ,还可以整合前 端元件,如天线、开关、滤波器、双工器、L A N、 功率放大器等制成 R 前端模块, F 可有效地降低产 品重量及体积, 达到产品轻、 短、 薄、 小、 低功耗

Lm 、 S X o mXIm s m 2I 2 .n . l m . m的带通滤波器。 o T 1和s n 缸 h 采用阶梯阻抗模式, 9 e 利用多层结构、
曲 折线和多节祸合线设计了片式多层平衡一 不平衡 转换器,多节祸合线具有不同的阻抗比,缩小了 兄 祸合传输线,易于与各种平衡输出阻抗匹配, 4 1 平衡一 不平衡输出阻抗为 5Q 在工作频率范围内, 0, 插入损耗小于 1 d ,回波损耗小于 1. ,振 . B 2 0 45 B d 幅平衡度小于 0 3 ,相平衡度小于 1 。,可 . d 4B . 3 2 应用于 认 A 、But t等通信设备。 飞 N leo h o 美国的半导体公司己开发多种 L C 功能模      TC

的要求1 。 T c产品按技术 划分,可粗略 4 LC 一 1 7 层次
地分为以下四 类: ( 高精度片式元件:      ) 1 如高精度片式电 感器、 电阻器、 片式微波电容器等, 及这些元件的阵列。 以

块, 用于无线通信的频率合成模块, 1 层 其中 有4
陶瓷层, 内置谐振电容、 反馈电容、 级间祸合电容、 输出电 谐振电感及输出匹配电感等无源电子元 容、

磁牲 材料减器件

0 年4 27 月

件,然后在表面上安装 I、压控振荡器、 C 变容二 极管, 形成一个表面贴装型微波功能模块, 体积大

. 6 LC 2 T C技术未来展望

大减小。 o ra M t l制作的 o o 移动通信接收模块, 包括 收发开关、 四个滤波器、 低躁声放大器, 阻抗匹配 电路、 J 铸置尺寸仅为 1. xl. x . m 2n s u Zm Zm , s Z 元件组 度达到 3 个 m。 外, 短 装密 4 几 Z 另 对于 距离
无线通讯用的蓝牙组件, 也可使用 L C T C多芯片组 件, 由于采用内埋式无源元件及倒装焊芯片, 从而 使整个组件实现了小型化。 日本松下公司制作的超 小型蓝牙模块,在该模块 L C T C基板内 置有电容 器、 滤波器、 阻抗变压器及天线, L C 在 T C基板表 面安装有蓝牙射频、 基频、 快速存储器、 晶体振荡 器及开关二极管等。

目 尽管L C技术为多层线路设计带来了      TC 前, 巨大的灵活性,但有些相关技术尚未成熟或待开 发, 也缺乏使用L C T C设计线路的技术标准。 业己 成熟或即将发展的有关 L C T C关键技术如下: ( 高电        ) 1 导率介质浆料:用以实现高容量。 如C u布线技术一直是发达国家重点研究项目 之

一, 现在一般 用的 g 金属化。 采 是A 进行
( )内埋无源元件: 目前,电阻和电容己经        2 能够内埋于 L C T C基板中, 但是对于电感的内埋仍 有一些问题。

()内        3 埋有源元件:借助该技术可集成那些
无需共烧在 L C T C基板的有源元件或芯片, 加工出 一种带有空腔的L C T C载体或基板, 装入芯片, 加 盖并焊接后封闭箱体。

6 LC T C技术的问题及未来展望
6 LC . T C技术的问题[1 I 80 一 ] 虽然与其他封装技术相比 LC 技术有不可      T C 取代的优越性, L C 但 T C技术本身仍然存在收缩率
控制和基板散热等问题。

( 收缩率问题。L C 存在许多涉及可靠        ) 1 T C 性的难点, 基板与布线共烧时的收缩率及热膨胀系 数匹配问 题即是其中的一个重要挑战, 它关系到多 层金属化布线的质量。L C T C共烧时,基板与浆料 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基板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 易导致烧成后基板表面不平整、 翘曲、分层。 不匹 配的另一个后果是金属布线的附着力下降。 ()散热问题。虽然 L C 基板比传统的        2 T C P B板在散热方面已经有了很大的改进, C 但由于 集成度高、 层数多、 器件工作功率密度高, C T L C 基板的散热仍是一个关键问题, 成为影响系统工 作稳定性的决定因素之一。 随着微电子技术的进 步,器件工作能量密度越来越高,如何把热量及 时有效地散发出去,保障器件的稳定工作, 是封 装所面临的艰巨挑战。 采用高导热率的材料及新 型的封装设计是提高封装部件散热效率的常用 方法。但对 L C T C来说,其明显的不足之处就是 基片的导热率低 (一Wl K ,远低于 AN基 2 6 m? ) I 片的导热率 ( 00 m? ) )1 Wl K ,比 A 23 1 基片的 0

( )顶底球形阵列:通过安装组成高性能器        4 件,并带有许多有源器件。 ()零收缩率:由        于在烧结过程中LC 5 T C生 瓷带的不均匀收缩, 限制了导体印 刷的线宽和线间 距。 零收缩率生瓷带将带来性能更卓著的多层线路
结构。

()高热传导率:随着多层芯片线路集成度        6 的提高, C T L C的 2 一 S m热传导率己经不能 . 2 Wl 0. 满足数瓦级大功率散热的多芯片模块设计的要求, 开发基于L C 大功率散热材料及技术势在必行。 T C

7 砖箱系统: ()      它由LC 材质的部件( TC 载体 或盖子) 组成。 这些部件可通过焊接联在一起,组 成一个完整的箱体, 各部件上都带有( 气、 电 光学、
液体) 孔连接结构和接口, 连接被安装的芯片。 用以
相信随着上述技术的不断成熟,      基板收缩率控

制和散热问 题得到逐步解决, T C技术将会在各 LC 个领域得到越来越广泛的应用。
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导热率 (52W m? ) 1 ̄5 l K 也低了 不少。 这限制了 T C在大型、高性能计算系统中的应用。 LC

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Ft A ea I]R戊IE n Mi w e y P ] a y , i A. E EI c a sm [ . h t . t r v o C 1 818一 8. 9 .21 24 9 ‘ ( 2 页) 下转 2
J g Ma r e c Ma n e t D讨 s e O 3 V I8 N Z o

能要求越来越高, 提高锰锌铁氧体的性能是一个复 杂的系统工程。 一般来讲, 锰锌铁氧体中各种化学 成分比例的调整、 各种添加剂的掺杂、 制备过程工 艺参数的优化及新型专用生产设备的开发等对提 高锰锌铁氧体的性能都起着重要作用。 在诸多提高 材料磁性能的方法中, 化学掺杂不失为一种行之有 效的方法。 掺杂元素的筛选、 掺杂方式方法的研究、 掺杂量的确定、 掺杂物作用机理的探索及化学掺杂 对材料微观结构与性能的影响等, 这些问题有待进 一步研究; 而掺杂物作用机理及性能与其微观结构 关系的进一步研究与探索显得更为迫切又具有重
要意义 。

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作者简介: 喜(9 一, , 授, 士, 要 席国 1 ) 男 教 博 主 从 9 5
事无机材料的 研究.
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(    1 页) 上接 0

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作者简介: 志 1 -) 男 硕士, 要 事 温 曾 毅(%2 , , 主 从 低 共
烧陶瓷技术方面的 研究,现工作于电子科技大学科技处。
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(    1 页) 上接 8

程琼, 彭图治, 刘爱丽. 化学学报, 14 6‘ ) 田. 2) 2 2: 1, 4
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作者简介: 全国(9 一 , , 贺 1 3 7 ) 男 博士, 教 主 副 授, 要
从事纳米材料与生物传感等方面研究.

2 2

J g Ma r 讨 e V 18 N Z Ma n e e s t D c O 3 o


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