低温共烧陶瓷（LTCC）技术

低温共烧陶瓷技术（low temperature cofired ceramic LTCC）是近年来兴起的一种相当令人瞩目的多学科交叉的整合组件技术,以其优异的电子、机械、热力特性已成为未来电子元件集成化、模组化的首选方式,广泛用于基板、封装及微波器件等领域。LTCC 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。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技术在各种应用中非常有用，包括大容量汽车系统。它正在成为无线和雷达行业高频射频和微波应用的首选技术。无源元件可以埋入LTCC磁带层之间，从而最小化互连长度，提高集成度和鲁棒性，并进一步减少电路几何结构。这一能力得到了全自动化生产设施持续大量投资的支持，以保持客户高可靠性要求所要求的一致质量水平。

LTCC产业概况

目前,LTCC材料在日本、美国等发达国家已进入产业化、系列化和可进行材料设计的阶段。在全球LTCC市场占有率九大厂商之中,日商有Murata,Kyocera,TDK和Taiyo Yuden;美商有CTS,欧洲商有Bosch, CMAC,Epcos及Sorep-Erulec等。国内目前LTCC陶瓷材料基本有两个来源：一是购买国外陶瓷生带;二是LTCC生产厂从陶瓷材料到生带自己开发。

LTCC技术特点

高性能电子封装和基板技术非常适合射频和微波产品低损耗微晶玻璃电介质高温、恶劣环境的适用性密封匹配阻抗布线带状线和微带传输线同轴通孔结构嵌入式和表面印刷电阻器与半导体匹配的温度膨胀系数

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。

LTCC工艺流程图

LTCC基板

LTCC陶瓷材料 (像“大楼”一样的低温共烧陶瓷技术--中国科学院上海硅酸盐研究所)

陶瓷材料分类

　　目前低温共烧陶瓷材料有三大类：微晶玻璃系，玻璃+陶瓷复合系和非晶玻璃系。

微晶玻璃系：微晶玻璃是由一定组成的玻璃通过受控晶化制得的由大量微小晶体和少量残余玻璃相组成的复合体。它具有配方易调节，工艺简单且性能较优的特点，如低介电损耗，适用于制作工作频率在20 ~ 30GHz的器件，以堇青石、钙硅石及锂辉石应用最为广泛。微晶玻璃按基础玻璃组成一般可分为硅酸盐系统、铝硅酸盐系统、硼硅酸盐系统、硼酸盐系统以及磷酸盐系统等五大类。微晶玻璃采用硅酸盐类的玻璃——陶瓷材料，添加1种或多种氧化物，如ZrO2、ZnO、SnO2，烧结温度在850 - 1050 ℃，介电常数和热膨胀系数小。

玻璃+陶瓷复合系：这是目前最常用的LTCC材料。在陶瓷中加入低熔点的玻璃相，烧结时玻璃软化，粘度下降，从而可以降低烧结温度。玻璃主要是各种晶化玻璃，陶瓷填充相主要是Al2O3、SiO2、堇青石、莫来石等。烧结温度在900℃左右，工艺简单灵活，容易控制调节复合材料的烧结特性和物理性能，介电常数及其温度系数小，电阻率高，化学稳定性好。

非晶玻璃系: 将形成玻璃的氧化物进行充分混合，在800 ~ 950℃之间煅烧，然后球磨过筛，按照陶瓷工艺成型烧结成为致密的陶瓷基板。这种体系的工艺简单，成分容易控制，但陶瓷基板的综合性能不太理想，如机械强度较低，介质损耗较大，目前很少采用。

　　除了形成玻璃或者陶瓷的基体材料外，通常还在体系中加入一些添加剂，如晶核剂、烧结助剂等，以改善体系的析晶能力、烧结性能、电学性能等。介电常数是LTCC材料最关健的性能。要求介电常数在2～20000范围内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。高频化是数位3C产品发展比然的趋势,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基板介电常数为3.9左右,介电常数低达2.5的正在开发。

谐振器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,其介电常数可在20～100之间选择。介电损耗也是射频器件设计时一个重要考虑参数,它直接与器件的损耗相关,理论上希望越小越好。目前,生产用于射频器件的LTCC材料主要有DuPont(951 ,943）,Ferro（A6M,A6S）,Heraeus（CT700,CT800和CT2000)和Electro-science Laboratories。他们不仅可以提供介电常数系列化的LTCC生瓷带,而且也提供与其相匹配的布线材料。

Electrical properties of microwave materials(LTCC | MST)NameLTCCDuPont 951LTCCDuPont 9K7LTCCFerro L8Thick film on Al2O3 (96%)TypeDielectric layerDielectric layerDielectric layerDielectric substrateThicknessµm(40), 98, 135, 20498, 19688, 135, 176250, 380, 500, 630,1000Electrical propertiesDielectric Constant10 GHz7.57.17.29.8Dissipation Factor (tan δ)10 GHz0.0060.0010.0020.0006Dielectric StrengthkV/mil>1>1>1>1Mechanical propertiesYoungs ModulusGPa120145113340Felxural StrengthMPA320230275400Fired Densityg/cm³3.13.13.13.8Thermal propertiesCTEppm/K5.84.45.86.8Typ. Thermal Cunductivity(bulk material without vias)W/mK44.6>324

Ref:

低温共烧陶瓷（LTCC）材料及其应用--中国科学院上海硅酸盐研究所 Low Temperature Co-Fired Ceramic (LTCC)CERADIR 先进陶瓷在线：浅析低温共烧陶瓷（LTCC）技术相关 Low Temperature Co-Fired Ceramics LTCC | MST