手机也能用陶瓷,LTCC开辟陶瓷新技术!

2012年5月21日 12:53:49    亿房网【 】【打印位网友发表评论

背景知识

“陌生”的低温共烧

    陶瓷有很多种类,我们接触到最多的就是餐桌上的日用瓷,然后就是工业瓷,这其中大家最熟悉的应该是水龙头的阀门。
    而低温共烧陶瓷(LTCC)是一种电子陶瓷,专门用来做成微波器件。“虽然从硬度上以及使用特性上来看都是陶瓷,但LTCC跟日用陶瓷在成分上 却是不一样的。”浙江正原电气总工程师陆德龙介绍说,他主要负责LTCC产品设计研发。
    什么是低温共烧陶瓷?
    所谓低温共烧陶瓷技术,是在1982年由美国的休斯公司开发的新型材料技术,就是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带,作为电路基板材料,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,在900℃烧结,制成三维电路网络的无源集成组件,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IC和有源器件,制成无源/有源集成的功能模块。

LTCC器件是一栋“大厦”

    “低温共烧陶瓷”这个名称本来就已经让我们有点犯晕,而看了上面如此复杂而且专业的释义之后,估计很多人都不想往下看这篇文章了。
于是,陆德龙举了一个生动的例子:“低温共烧陶瓷器件好比一栋大厦,每一层有着不同的功能,但它们又是一个整体。”低温共烧陶瓷器件包含着很多层,每一层的生陶片内都有不同的电路,最后将这些合在一起低温烧制,就得到了我们想要的元器件。
     陆德龙介绍说:“从上世纪90年代开始,通讯的频段越来越高,声表面波器件工艺已经无法满足要求,而陶瓷器件却可以。不过,尽管陶瓷元器件已经使用了很长时间,但是当时还是体积比较大,且是高温陶瓷。”
    后来科学家们想到,在一片片的生陶瓷里设计上电路,然后陶瓷与电路一起烧制,这就是“共烧”的由来,由于很多电路的用料中以银为主,而银的沸点是900°C,所以烧制的温度就低于900°C,这就是低温共烧。“低温共烧,从能源上讲节能;从工艺上讲,可以实现通讯技术发展所要求的设备小型化。”

特点

材料是技术根本

    近年来,随着现代信息产业的飞速发展,电子线路的微型化、轻量化、集成化和高频化对电子元件提出了小尺寸、高频率、高可靠性和高集成度的要求,在众多微电子集成和组件整合技术中,低温共烧陶瓷已经成为目前电子元件集成化的主流方式,这完全是由其特性所决定的。
    LTCC器件的体积很小,最小的只有1毫米×0.5毫米。陆德龙笑着说:“一个喷嚏打下去,你就找不着了。”
    除此之外,与其它集成技术相比,LTCC有着众多特点:首先,根据配料的不同,LTCC材料的介电常数可以在很大范围内变动,这增加了电路设计的灵活性;第二,陶瓷材料具有优良的高频、高速传输以及宽通带的特性;第三,使用高电导率的金属材料作为导体材料,有利于提高电路系统的品质因数;第四,制作层数很高的电路基板,易于形成多种结构的空腔,内埋置元器件,免除了封装组件的成本,减少连接芯片导体的长度与接点数,并可制作线宽小于50μm的细线结构电路,实现更多布线层数,能集成的元件种类多,参量范围大,易于实现多功能化和提高组装密度;第五,可适应大电流及耐高温特性要求,具有良好的温度特性,如较小的热膨胀系数,较小的介电常数稳定系数。LTCC基板材料的热导率是有机叠层板的20倍,故可简化热设计,明显提高电路的寿命和可靠性;第六,与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性,二者结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层基板和混合型多芯片组件。
    另外,LTCC易于实现多层布线与封装一体化结构,进一步减小体积和重量,提高可靠性、耐高温、高湿、冲振,可以应用于恶劣环境;非连续式的生产工艺,便于基板烧成前对每一层布线和互连通孔进行质量检查,有利于提高多层基板的成品率和质量,缩短生产周期,降低成本。
    “关键就是材料,其次是设计。”陆德龙表示,材料是该技术的根本。材料要满足很多的技术指标,介电常数、温度系数等等。因为这些器件的工作环境比较恶劣,例如卫星电视接收器上的滤波器,因为是露天使用,风吹日晒不说,还得经受几十摄氏度的温差变化,这对元器件可靠性的要求非常高。
 
应用

它不只在手机里

    LTCC可应用于众多领域,而其中微波领域是LTCC应用受到极大的关注的领域之一。LTCC微波介质陶瓷可用作谐振器、滤波器、介质基片、介质天线、介质波导等,在移动电话、微波基站、无绳电话、电视卫星接收器、无线接入和军事雷达等方面正发挥着越来越大的作用。

    其中,手机的用量占据主要部分,约达80%以上;其次,是蓝牙模块和WLAN。手机中使用的LTCC产品包括LC滤波器、双工器、功能模块、收发开关功能模块、平衡—不平衡转换器、耦合器、功分器、共模扼流圈等。
    “平常老百姓接触到最多的就是手机、电话、无绳电话,现在用得最多的是蓝牙耳机里面的天线。只要体积小的,无线接收的设备肯定要用到滤波器、天线,这些都离不开LTCC。”陆德龙说。
    其它诸如汽车、医疗及特高频微波频率器件领域等也正逐步采用该项技术。在工作频率高达十几、几十千兆赫兹的卫星、LMDS(局域多点传输服务)、光纤及光纤信号处理终端设备中,LTCC可获得更广泛的应用。

成果

达到国际先进水平

    “低温共烧片式多层微波陶瓷微型频率器件产业化关键技术”项目涉及多学科,涵盖基础研究、工艺技术及装备集成、产品开发、产品应用等领域,经过多年的产学研联合攻关,突破LTCC材料研制、生产技术和器件设计三大核心技术,并实现协同优化与集成,开发出具有完全自主知识产权的LTCC片式多层微波陶瓷微型频率器件产业化关键技术,整体研究和产业化水平处于国际先进,在国内率先实现了器件的小型化、系列化、低成本的规模化生产。

获得国家科学技术进步二等奖,主要是由于该项目的三项创新:

    首先,该项目突破了烧结助剂的优选和复配、溶胶—凝胶法原位引入烧结助剂等LTCC材料制备关键技术,发明了高Q×f值6个LTCC材料体系,满足了器件低成本、多品种、高性能的要求;第二,突破流延膜带制备、多层复合工艺控制、陶瓷—Ag电极低温共烧等器件规模化生产技术,在国内率先建立了生产线及工艺规范;第三,建立了片式多层微波陶瓷器件仿真设计与测试平台,开发了系列专用器件设计方法,使器件的外形尺寸缩至1.6mm×0.8mm×0.6mm,实现了器件小型化、多功能化和系列化。
这些工艺的作用独到,比如溶胶—凝胶法原位引入烧结助剂,因为制造过程中,陶瓷由很多种材料组成,所以该工艺就是要将掺在其中的成分均匀分布,充分混合。

    该项目成套技术实现了产业化,正原电气建立了国内首条LTCC片式多层微波陶瓷微型频率器件规模化生产线,生产出滤波器、天线等系列器件,产品质量达到国际同类产品水平,具有明显的国际市场竞争优势,已供应国内外60余家单位应用,打破了进口产品长期垄断我国市场的局面,近三年产生直接效益4.74亿元。

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