LTCC技术技术及其应用.pptx

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1、课题大纲,LTCC技术简介,1,2,3,4,LTCC中的材料技术,LTCC的工艺流程,LTCC技术特点和优势,5,LTCC的应用和发展趋势,一.LTCC技术简介,为什么要发展LTCC技术？ 什么是LTCC技术 LTCC技术的发展历程,一.LTCC技术简介,（1）为什么要发展LTCC技术？ 随着当今移动电话的爆炸性增长，用移动电话作为无线终端设备来传输文本和图像数据的通信技术也持续不断的发展。同时宽带和高频技术的各种应用也不断涌现。为了减小电路尺寸，需要将各种高频和无源器件至于基板内部。此外，人们还期待满足高频和带宽要求且高频损耗小的电子器件和基板及早实现。,一.LTCC技术简介,由于低温共烧陶

2、瓷（LTCC）易于不同特性的材料相结合，这就有可能实现元件的集成和将不同特性的元件至于陶瓷内部。此外，将低损耗金属埋入低温共烧陶瓷中作为导体是可能的，陶瓷的高频介电损耗小，热膨胀系数低，所以LTCC技术被认为在未来的高频应用中，作为器件的集成和基板是极有希望的技术。,一.LTCC技术的发展历程,元器件发展历程,新一代元件封装,一.LTCC技术的发展历程,（2）什么是LTCC技术？ 英文全称：Low-Temperature Cofired Ceramics 低温 共烧 陶瓷 以陶瓷材料作为电路的介电层将低容值电容、电阻、阻抗转换器、滤波器、耦合器等被动元件内埋入陶瓷基板中，应用金、银、铜等金属当

3、做内外层电极，以平行印刷模式涂布电路，与低于900的烧结炉中烧结而成陶瓷元件或基板。,一.LTCC技术的发展历程,传统PCB基板,LTCC,一.LTCC技术简介,（3）LTCC技术的发展历程 多层陶瓷技术源于20世纪50年代末期美国无线电（RCA）公司的开发，现行的基本工艺技术（用流延法的生片制造技术、过孔形成技术和多层叠层技术）在当时就已被应用。其后IBM公司在这一领域居于领先地位。80年代初，商业化的主计算机的电路板是这一技术的产物。因为这些多层基板是用氧化铝绝缘材料和导体材料在1600下高温共烧的，故而称为高温共烧陶瓷（HTCC）。从80年代中期开始，为提高大型,一.LTCC技术简介,计

4、算机的速度，LTCC技术应运而生。 LTCC技术是于1982年休斯公司开发的新型材料技术，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，并将多个被动组件（如低容值电容、电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器等）埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，内外电极可分别使用银、铜、金等金属，在,一.LTCC技术简介,900下烧结，制成三维空间互不干扰的高密度电路，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，可进一步将电路小型化与高密度化，特别适合用于高频通讯用组件。,二、LTC

5、C材料,主要内容： LTCC基板、封装材料 LTCC布线材料 LTCC材料研究存在的问题和发展趋势,LTCC基板、封装材料,目前已开发的LTCC基板材料大致可分为三类： 陶 瓷 一玻璃 系 (微 晶玻璃 )：低 介 电损耗 ， 适合制 作 20 30GHz器 件 。 玻璃 加 陶 瓷 填 充料 的 复合 系：填 充物 主要 是 用 来 改 善 陶瓷的抗 弯强 度 、 热 导 率等 ，在 烧 结 过 程 中玻 璃 和 填 充料 反 应形 成 高 Q 值 晶体 。 单相陶瓷 系：低烧结温度，高致密化，以减小材料的介电常数和介电损耗，满足多层电路性能的要求。,1、陶 瓷 一玻璃 系,玻璃 陶 瓷体

6、系 一 般 是 由硼 和 硅 构 成 基 本 的 玻 璃网状 组 织 ， 这 些 玻 璃 的 构 成 物 加 上 单价或 双 价 碱 性 的难 以还 原 的氧 化 物 类 元 素 可 以重 建 玻 璃 的 网状 组 织 。 掌握玻璃的 成核 和 析 晶 规 律 ，有 效 地 控 制 成 核 和析晶是 得 到 所 需 性 能 玻 璃 陶 瓷 的关 键。确 定 适 当 的热 处 理 制 度 是决 定 最 后材料性 能 的 关 键之一。 设 计 和 选 择 获 得 适 当的 结 晶相 ， 将 有 助 于 提 高 LTCC 材 料 的 品 质 因 数 、 降 低 材 料 的 高频损 耗。,1、陶 瓷

7、一玻璃 系,一 般这种玻璃陶 瓷材料以堇青石(2MgO 2A1203-5SiO2)系玻璃陶瓷、钙硅石 (CaO -SiO2)玻璃 陶瓷及锂辉石 (Li20-A1203-4SIO2) 等最为著名 。另外 ， 也 有钙长石系里的钙长石玻璃陶瓷。以上都采用硅酸盐类的玻璃陶瓷材料，添加P2O5、Li2O、B2O3、ZrO2、ZnO、TiO2、SnO2中的13种添加物组成，其烧结温度均在8501050度之间，介电常数及热膨胀系数均小。,2、玻璃 加 陶 瓷 填 充料 的 复合 系,玻璃加各种难溶陶瓷填充相系统是目前最常用的LTCC材料。填充相主要有A12O3、SiO2 、堇青石、 莫来石等，玻璃主要是各

8、种晶化玻璃。该系统主要 包括结晶化玻璃 氧化铝复合系和结晶化玻璃 其 他 陶 瓷 复合 系 。 结晶化玻璃和其他陶瓷的复合系主要包括蓝晶石、锂辉石、 硅灰石、硅酸镁、四硼酸锂等玻璃的混合体 ，其烧结温度900度左右。此类低温共烧陶瓷介质材料具有较低的介电常数、较小的温度系数、较高的电阻率和化学反应稳定性等特性。,3、单相陶瓷,此类材料，已开发的主要品种为硼酸锡钡陶瓷(BaSn(BO3)2)和硼酸锆钡陶瓷BaZr(BO3)2，烧结范围都在9001000oC烧成。这些系统的结晶度较高，在高温高湿度状态下也并不引起Ag布线的迁移。锗酸钙具有 较 低 的介 电 常数 和 损 耗 ，通过进一步细化粉体或

9、添加少量烧结助剂，使烧结温度降至900度以下。,LTCC布线材料,对金属材料有如下要求 金属粉的物理性质适于丝网漏印细线和填满通孔； 浆料与基板生片粘合剂的有机体系兼容； 金 属粉末的烧结行为与基板生料的烧结行为匹配，控制收缩达到好的面间整体性，烧结时的收缩差异不能造成基板变形； 烧结后的导带有高的电导率 。,LTCC布线材料,LTCC通常使用的导体材料有铜、银、金和银 /钯、金 /钯。其中铜系统是研究的热点，是较为理想的导体材料，具有电导率高，成本低、抗电迁移性良好等特点。 银导体有最好的射频和直流损耗特性。银迁移可能引起漏电和电介质击穿。银 在低于8750C烧结，银离子不扩散，而以本身致密

10、化为主，在9000C以上烧结时，通过含铅和碱离子的玻璃相扩散，氧化铝和钙长石等结晶相对银扩散起壁垒作用。,LTCC材料研究存在的问题和发展趋势,存在的主要问题包括： （1）在体系的选择和性能的提高等方面主要是对大量的实验结果进行经验总结为基础，尚缺乏有效的理论作指导。 （2）材料的制备方法多采用高温固相反应法，不仅烧结时间长，而且难获得致密均匀的显微结构。,LTCC材料研究存在的问题和发展趋势,材料 系 统 组 成 复杂 ， 相 互 间化 学 兼 容 性 、 自谐 等 原 因 难 以 在 高频 下 正 常 工作 等 问题 影 响材 料 的稳 定 性 ， 因 此 不 仅 需 要开发 新 的 材

11、料 系统 进 行 组 分 的 优 化 ， 而 且 需 要 开 发新 的 工 艺方 法 ， 使 其 具 有 良好 的高 频 特性 以及 系 列 化 工作 频 率 并 适 应 集 成 化 需要 。,三、LTCC中的工艺流程,流延,填孔及印刷,冲孔,叠片,静压,切割,烧结,裁片,三、 LTCC中的工艺流程,主要成分：玻璃粉，氧化铝粉亚克力树脂及添加特定的粘接剂及有机/无机溶剂。 特点：通过改变材料类型及配比，可获得预期设计要求（如热传导特性、介电常数、损耗因子、绝缘电阻、击穿电压等）的基板。,流延,裁片,冲孔,填孔,印刷,叠片,静压,切割,烧结,调阻,测试,目的：由陶瓷浆料制作出陶瓷基板坯料。,配料

12、,流延,刮刀成型及预固化,三、 LTCC中的工艺流程,流延,裁片,冲孔,填孔,印刷,叠片,静压,切割,烧结,调阻,测试,目的：将坯料切割成一定尺寸的陶瓷薄片，每一片将成为多层陶瓷基板的一层。过程中，对流延不良的薄片进行剔除。,切刀,生陶瓷,三、 LTCC中的工艺流程,流延,裁片,冲孔,填孔,印刷,叠片,静压,切割,烧结,调阻,测试,目的：在薄陶瓷片上制作出用以进行电气互联的过孔、通孔。 方法：机械冲孔，激光冲孔,三、LTCC中的工艺流程,流延,裁片,冲孔,填孔,印刷,叠片,静压,切割,烧结,调阻,测试,机械冲孔，激光冲孔 原理对比,机械冲孔,激光冲孔,三、LTCC中的工艺流程,目的：将过孔填充

13、剂填入过孔中，作为层与层之间电路连接的垂直通路，以制备多层陶瓷基板内部的过孔。,多孔台板,刮刀,浆料,真空吸引,印刷网版,特制纸,流延,裁片,冲孔,填孔,印刷,叠片,静压,切割,烧结,调阻,测试,三、LTCC中的工艺流程,目的：使用丝网印刷方法，将导电浆料或介质材料印刷在陶瓷片上，用以制作电气互联的导线及印制元器件（电阻、电容、压敏电阻等）。,流延,裁片,冲孔,填孔,印刷,叠片,静压,切割,烧结,调阻,测试,三、LTCC中的工艺流程,目的：将已印刷电路图形的陶瓷片按照次序，依次叠放在一起，使得图形符合电路结构要求，并揭除印刷时的PET膜。,流延,裁片,冲孔,填孔,印刷,叠片,静压,切割,烧结,

14、调阻,测试,三、LTCC中的工艺流程,目的：将叠片后的生瓷片利用高压使之粘粘接牢固。,流延,裁片,冲孔,填孔,印刷,叠片,静压,切割,烧结,调阻,测试,方法：机械轴压 液体等静压,三、LTCC中的工艺流程,目的：将较大面积的生瓷基板，按照各元件、模块的切割边界进行切割分离，便于进行烧结。而烧结后，陶瓷片将不易切割。 方法：金刚刀切割 激光切割,流延,裁片,冲孔,填孔,印刷,叠片,静压,切割,烧结,调阻,测试,金刚刀切割,激光切割,三、LTCC中的工艺流程,流延,裁片,冲孔,填孔,印刷,叠片,静压,切割,烧结,调阻,测试,目的：将生瓷基板加热烧结成熟瓷，使之瓷材硬化、内部浆料固化、结构稳定。对L

15、TCC基板，加热温度一般低于900。,三、LTCC中的工艺流程,目的：对通过印刷制成的电阻等元器件进行精细调节，以修正印刷误差、适配器件参数差异，以达到最佳系统性能。 方法：激光脉冲加热,流延,裁片,冲孔,填孔,印刷,叠片,静压,切割,烧结,调阻,测试,三、LTCC中的工艺流程,自动光学检测系统可检缺陷包括： 过焊、缺焊、污迹、线宽过窄、鼠啮、通孔、污染物、印制漂移、基板收缩、丝网老化等，同时系统还可分辨随机缺陷和系统缺陷。,流延,裁片,冲孔,填孔,印刷,叠片,静压,切割,烧结,调阻,测试,目的：产品加工过程中，对质量进行监察，避免不良品流入下道工序。主要包括外观检查、电气特性测量、内部结构检

16、查。 方法：光学检测 探针测试 X光检测,方法1：光学检测,三、LTCC中的工艺流程,方法2：飞针测试,流延,裁片,冲孔,填孔,印刷,叠片,静压,切割,烧结,调阻,测试,目的：使用探针对印制的导线、金属化孔等进行电气特性判定。,3.LTCC中的工艺流程,流延,裁片,冲孔,填孔,印刷,叠片,静压,切割,烧结,调阻,测试,目的：使用X光检测LTCC基板内部电层的不可见缺陷。,方法3：X光检测,四、LTCC技术与同类技术的比较,LTCC 技术属于多芯片组件(MCM)技术中的一个分支，最早由美国休斯公司于 1982 年开发。它兼具高温共烧陶瓷(HTCC)技术和厚膜技术的许多优点，拥有极其广阔的应用前景

17、。,四、LTCC技术与同类技术的比较,四、LTCC技术与同类技术的比较,相对传统的微波混合集成电路（HMIC），LTCC技术还有如下特点和优势： 1.内层基板中可以埋入无源电路元件，这使基板的表面将有更多的区域可以用来安装有源器件和铺设大面积地。这有两方面好处，一可以使组装密度获得提高，生产效率得到改善，系统可靠性得到增强；二可以通过大面积地的设计来实现微波的良好接地，进一步获得优良的高频特性。,四、LTCC技术与同类技术的比较,四、LTCC技术与同类技术的比较,2.不同材料配方制作的 LTCC 基板的介电常数不同，可以设计在一个较大范围内，这可以提高设计电路时的灵活性。 3.温度特性较好，与

18、传统的 PCB 板电路相比，导热性更好。还具有与半导体材料能够匹配的热膨胀系数，这能够减小裸芯片在安装时与基板的热应力，使得安装更加方便。 4.生产方式是不连续的，能够在共烧前对每层布线基板进行检查，有利于提高基板的质量和成品率，使生产周期缩短，成本降低。,四、LTCC技术与同类技术的比较,此外，芯片之间的距离更加接近，互连线之间的距离也更加缩短，实现了小的系统封装尺寸和短的信号延迟等功能。,四、LTCC技术与同类技术的比较,.陶瓷基板的收缩率问题 将 LTCC 基板应用于高频系统时，由于传输线的尺寸小，因此烧结后的微小变形都会对系统的性能产生较大影响，也会对信号孔的对位造成影响，严重时层间通

19、孔将无法传输信号，因此需要严格控制 LTCC 基板的收缩。 现采用的控制收缩率的主要烧结方法有无压力辅助烧结(PLAS，Presmre-less Assistant Sinkirng)、压力辅助烧结(PAS)、自约束烧结(SCS，Self-Constraint Sintering)、复合板共同压烧法四种。理想情况下的零收缩率技术还需要进一步研究和实现。,四、LTCC技术与同类技术的比较,.基板散热问题 尽管相对传统的 PCB 板而言，LTCC 基板在散热方面已有所改进，但由于其具有较多的层数、高的集成度、高工作功率模式密度的器件，因此散热问题仍是一个关键问题，值得重视。 目前改进办法有将导热率

20、高的材料加入浆料，在基板中设计散热孔，大功率芯片先采用载体安装后再与腔体装配。,4.LTCC技术与同类技术的比较,.生产成本问题 国内目前已有一些高校和研究院所引进了 LTCC 生产工艺线，但是采用的生瓷带仍然为进口，因此生产成本较传统的 PCB 板高，这也阻碍了国内一些研究团队涉足这一领域。因此国内一方面需要大力发展材料工艺技术，另一方面需要加大投入，在形成批量化生产后可使成本降低，从而促使该产业的发展。,五、低温共烧陶瓷(LTCC)技术的应用,LTCC 技术已广泛应用于宇航工业、军事、无线通信、全球定位系统、无线局域网、汽车等产业。利用LTCC 技术，既可制造单一功能元件(如电阻、电感、天

21、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、LNA、功率放大器等制成RF 前端模块)，可有效地降低产品重量及体积，达到产品轻、薄、短、小、低功耗的要求。,低温共烧陶瓷(LTCC)技术的应用,高精度片式元件,无源集成功能器件,无源集成基板,功能模块,LTCC 技术在产品中应用可粗略地分为以下四类：,低温共烧陶瓷(LTCC)技术的应用,高精度片式元件如高精度片式电感器、电阻器、片式微波电容器等，以及这些元件的阵列等。近年来，以LTCC 技术为基础的片式元件已经向多层片式发展。,（1）高精度片式元件：,随着手机的小型化、多功能化，对于用于高频电路/高频模块中的积层芯片

22、电感器小型化和高Q特性提出要求。日本TDK公司的积层芯片电感器 MLG0402Q系列，利用LTCC多层基板加工技术，在尺寸为 0402（0.40.2mm）以及 0603（0.60.3mm) 的极小的芯片元件上，用高精度位置控制技术研制的内部电极。实现了高High-Q 特性。,低温共烧陶瓷(LTCC)技术的应用,（2）无源集成功能器件：,无源集成功能器件如片式射频无源集成组件，包括LC 滤波器及其阵列、定向耦合器、功分器、功率合成器、Balun、天线、延迟线、衰减器，共模扼流圈及其阵列等。,传统的无源器件大都以单个的元件(如片阻、片容、片感等)或阵列化(如电阻排)的模式应用于各种电子系统中。LT

23、CC技术采用多层陶瓷结构, 并以金、银、铜等电阻率很小的优良金属作为互连导体, 多层介质结构和良好的金属导体可以有效地解决信号之间的串扰, 将不同的无源器件集成在同一块基板内。在较高的频率下, LTCC技术可以更好的设计电路传输线(或波导)的分布参数, 形成R/C或L/C的功能化无源网络。,低温共烧陶瓷(LTCC)技术的应用,（2）无源集成功能器件：,功能化的微波无源器件在军用电子元器件中具有十分广泛的应用, 如相控阵雷达用分布参数带通滤波器就是一个LC网络, 其中心频率为6.75GHz,0.4GHz;纹波: 1.0dB(max); 插入损耗:5dB;带外衰减:40dB;驻波:1.5;输入输出

24、阻抗: 50 。,LTCC技术非常适合设计和生产具有较好高频特性的内埋式无源器件, 尤其是电感和电容以及由它们组成的滤波器, 以代替传统的分离式器件。LTCC技术的重要应用就是无源器件的功能化集成, 包括电感、电容、滤波器以及天线和双工器等。,低温共烧陶瓷(LTCC)技术的应用,LTCC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。低温共烧陶瓷技术可满足后者轻，薄，短，小的需求。若能将部分无源元件集成到基板中，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。采用LTCC工艺制作的基板具有可实现集成电路芯片封装、内埋置无源元件及高密度电路组装的功能。,无源集成基

25、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。,（3）无源集成基板：,低温共烧陶瓷(LTCC)技术的应用,日本村田通过采用薄型LTCC基板，在多层结构部中嵌入了周边的功能元件 (耦合器、电容器和电感器)成功地实现了更小型化（比原有产品削减了50%的占板面积是世界最小的发射模块）。同时通过内置磁稳定器 (隔离器功能)的设计，成功地抑制了手机、智能手机在使用环境发生变化时的最大约20%的消耗电流，实现了低耗电的发射模块。利用这些特性，可以达到简化手机和智能手机的设计工作。,（3）无源集成基板：,低温共烧陶瓷(LTCC)技术的应用,功能模块如蓝牙模块、手机前端模块、天线开关模块、功放模块

26、等。,（4）功能模块：,由于电子工业向高度集成化发展，各种LTCC功能模块研制成为人们研究的焦点。Avantware公司采用LTCC技术，在单一LTCC衬底集成了天线、不平衡变压器-滤波器、阻抗匹配电感和电容，结合CRS公司的蓝牙芯片，研制的蓝牙模块，比现有的蓝牙快3倍,低温共烧陶瓷(LTCC)技术的发展趋势,LTCC用于集成技术的一个最新趋势是将燃料电池集成在模块系统中。由于LTCC技术很容易在其陶瓷结构内形成流通道，国外的一些机构已研发出基于LTCC的小型燃料电池。因此人们有可能通过LTCC实现电源/有源/无源元件一体化的模块。 业己成熟或即将发展的有关LTCC 关键技术如下：（1）高电导

27、率介质浆料;（2）内埋无源元件；（3）内埋有源元件；（4）顶底球形阵列：通过安装组成高性能器件，并带有许多有源器件。(5）零收缩率；（6）高热传导率（7）砖箱系统。,低温共烧陶瓷(LTCC)技术的发展趋势,目前，虽然LTCC技术已经成为电子元件集成，特别是无源集成的主流技术，但有些相关技术尚未成熟或待开发，如提高热导率，减少烧结收缩率等，如目前正在开发的可埋入电阻、电容的PCB（同时LTCC技术还受到来自其他集成技术的挑战印制电路板）技术等。另外如何解决LTCC材料与异质材料的共烧匹配性，寻求更高电性能低温共烧陶瓷材料等问题也有待解决。另外也缺乏使用LTCC 设计线路的技术标准。,汇报完毕，谢谢聆听！,