近幾年隨著現代信息產業的飛速發展電子線路的微型化輕量化集成化和高頻化對電子元件提出了小尺寸高頻率高可靠性和高集成度的要求

而在眾多微電子集成和組件整合技術中低溫共燒陶瓷技術以其集成密度高和高頻特性好具有無源集成能力成本相對低廉等優異特性成為目前電子元件集成化的主流方式

不論是王公貴族家中價值連城的青花瓷還是尋常百姓桌上樸素實用的碟盤碗都是我們離不開的陶瓷當然這些都是能夠看見的還有些你看不到的比如手機中的濾波器還有你藍牙耳機中的天線這些體積微小且從未引起過你注意的器件也是一種陶瓷叫做微波介質低溫陶瓷不過陶瓷里面另有乾坤

在1月份的科技獎勵大會上由浙江大學浙江正原電氣股份有限公司浙江工業大學產學研合作完成的低溫共燒片式多層微波陶瓷微型頻率器件產業化關鍵技術項目榮獲國家科學技術進步二等獎這項關鍵技術的技術關鍵就是微波介質低溫陶瓷

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背景知識

陌生的低溫共燒

陶瓷有很多種類我們接觸到最多的就是餐桌上的日用瓷然后就是工業瓷這其中大家最熟悉的應該是水龍頭的閥門

而低溫共燒陶瓷（LTCC）是一種電子陶瓷專門用來做成微波器件雖然從硬度上以及使用特性上來看都是陶瓷但LTCC跟日用陶瓷在成分上卻是不一樣的浙江正原電氣總工程師陸德龍介紹說他主要負責LTCC產品設計研發

什么是低溫共燒陶瓷?

所謂低溫共燒陶瓷技術是在1982年由美國的休斯公司開發的新型材料技術就是將低溫燒結陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶作為電路基板材料在生瓷帶上利用激光打孔微孔注漿精密導體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形并將多個無源元件埋入其中然后疊壓在一起在900℃燒結制成三維電路網絡的無源集成組件也可制成內置無源元件的三維電路基板在其表面可以貼裝IC和有源器件制成無源/有源集成的功能模塊

LTCC器件是一棟大廈

低溫共燒陶瓷這個名稱本來就已經讓我們有點犯暈而看了上面如此復雜而且專業的釋義之后估計很多人都不想往下看這篇文章了

于是陸德龍舉了一個生動的例子低溫共燒陶瓷器件好比一棟大廈每一層有著不同的功能但它們又是一個整體低溫共燒陶瓷器件包含著很多層每一層的生陶片內都有不同的電路最后將這些合在一起低溫燒制就得到了我們想要的元器件

陸德龍介紹說從上世紀90年代開始通訊的頻段越來越高聲表面波器件工藝已經無法滿足要求而陶瓷器件卻可以不過盡管陶瓷元器件已經使用了很長時間但是當時還是體積比較大且是高溫陶瓷

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后來科學家們想到在一片片的生陶瓷里設計上電路然后陶瓷與電路一起燒制這就是共燒的由來由于很多電路的用料中以銀為主而銀的沸點是900°C所以燒制的溫度就低于900°C這就是低溫共燒低溫共燒從能源上講節能從工藝上講可以實現通訊技術發展所要求的設備小型化

特點

材料是技術根本

近年來隨著現代信息產業的飛速發展電子線路的微型化輕量化集成化和高頻化對電子元件提出了小尺寸高頻率高可靠性和高集成度的要求在眾多微電子集成和組件整合技術中低溫共燒陶瓷已經成為目前電子元件集成化的主流方式這完全是由其特性所決定的

LTCC器件的體積很小最小的只有1毫米×0.5毫米陸德龍笑著說一個噴嚏打下去你就找不著了

除此之外與其它集成技術相比LTCC有著眾多特點首先根據配料的不同LTCC材料的介電常數可以在很大范圍內變動這增加了電路設計的靈活性第二陶瓷材料具有優良的高頻高速傳輸以及寬通帶的特性第三使用高電導率的金屬材料作為導體材料有利于提高電路系統的品質因數第四制作層數很高的電路基板易于形成多種結構的空腔內埋置元器件免除了封裝組件的成本減少連接芯片導體的長度與接點數并可制作線寬小于50μm的細線結構電路實現更多布線層數能集成的元件種類多參量范圍大易于實現多功能化和提高組裝密度第五可適應大電流及耐高溫特性要求具有良好的溫度特性如較小的熱膨脹系數較小的介電常數穩定系數LTCC基板材料的熱導率是有機疊層板的20倍故可簡化熱設計明顯提高電路的壽命和可靠性第六與薄膜多層布線技術具有良好的兼容性二者結合可實現更高組裝密度和更好性能的混合多層基板和混合型多芯片組件

另外LTCC易于實現多層布線與封裝一體化結構進一步減小體積和重量提高可靠性耐高溫高濕沖振可以應用于惡劣環境非連續式的生產工藝便于基板燒成前對每一層布線和互連通孔進行質量檢查有利于提高多層基板的成品率和質量縮短生產周期降低成本

關鍵就是材料其次是設計陸德龍表示材料是該技術的根本材料要滿足很多的技術指標介電常數溫度系數等等因為這些器件的工作環境比較惡劣例如衛星電視接收器上的濾波器因為是露天使用風吹日曬不說還得經受幾十攝氏度的溫差變化這對元器件可靠性的要求非常高

應用

它不只在手機里

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LTCC可應用于眾多領域而其中微波領域是LTCC應用受到極大的關注的領域之一LTCC微波介質陶瓷可用作諧振器濾波器介質基片介質天線介質波導等在移動電話微波基站無繩電話電視衛星接收器無線接入和軍事雷達等方面正發揮著越來越大的作用

其中手機的用量占據主要部分約達80%以上其次是藍牙模塊和WLAN手機中使用的LTCC產品包括LC濾波器雙工器功能模塊收發開關功能模塊平衡不平衡轉換器耦合器功分器共模扼流圈等

平常老百姓接觸到最多的就是手機電話無繩電話現在用得最多的是藍牙耳機里面的天線只要體積小的無線接收的設備肯定要用到濾波器天線這些都離不開LTCC陸德龍說

其它諸如汽車醫療及特高頻微波頻率器件領域等也正逐步采用該項技術在工作頻率高達十幾幾十千兆赫茲的衛星LMDS（局域多點傳輸服務）光纖及光纖信號處理終端設備中LTCC可獲得更廣泛的應用

成果

達到國際先進水平

低溫共燒片式多層微波陶瓷微型頻率器件產業化關鍵技術項目涉及多學科涵蓋基礎研究工藝技術及裝備集成產品開發產品應用等領域經過多年的產學研聯合攻關突破LTCC材料研制生產技術和器件設計三大核心技術并實現協同優化與集成開發出具有完全自主知識產權的LTCC片式多層微波陶瓷微型頻率器件產業化關鍵技術整體研究和產業化水平處于國際先進在國內率先實現了器件的小型化系列化低成本的規模化生產

獲得國家科學技術進步二等獎主要是由于該項目的三項創新

首先該項目突破了燒結助劑的優選和復配溶膠凝膠法原位引入燒結助劑等LTCC材料制備關鍵技術發明了高Q×f值6個LTCC材料體系滿足了器件低成本多品種高性能的要求第二突破流延膜帶制備多層復合工藝控制陶瓷Ag電極低溫共燒等器件規模化生產技術在國內率先建立了生產線及工藝規范第三建立了片式多層微波陶瓷器件仿真設計與測試平臺開發了系列專用器件設計方法使器件的外形尺寸縮至1.6mm×0.8mm×0.6mm實現了器件小型化多功能化和系列化

這些工藝的作用獨到比如溶膠凝膠法原位引入燒結助劑因為制造過程中陶瓷由很多種材料組成所以該工藝就是要將摻在其中的成分均勻分布充分混合

該項目成套技術實現了產業化正原電氣建立了國內首條LTCC片式多層微波陶瓷微型頻率器件規模化生產線生產出濾波器天線等系列器件產品質量達到國際同類產品水平具有明顯的國際市場競爭優勢已供應國內外60余家單位應用打破了進口產品長期壟斷我國市場的局面近三年產生直接效益4.74億元