无可替代的封装技术LTCC——应用篇


来源:中国粉体网   山川

[导读]  上世纪90年代开始,日本和美国的 NEC、富士通、IBM、村田等公司将LTCC技术成功引入通讯商业应用,LTCC开始朝向移动通讯和高频微波应用领域发展,今天我们来聊一下它的应用。

中国粉体网讯  LTCC技术是上世纪80年代中期出现的一种新型多层基板工艺技术,采用了独特的材料体系,故其烧结温度低,可与金属导体共烧,从而提高了电子器件性能。上世纪90年代开始,日本和美国的 NEC、富士通、IBM、村田等公司将LTCC技术成功引入通讯商业应用,LTCC开始朝向移动通讯和高频微波应用领域发展,今天我们来聊一下它的应用。



(图片来源:中电科四十三所)


根据产品在电路中起到的作用,LTCC产品可以大致分为LTCC元件、LTCC封装基板、LTCC功能器件和LTCC集成模块等四种。


LTCC元件


利用LTCC技术生产的元器件在移动通信设备等领域得到广泛的应用。例如:手机、WLAN、蓝牙、功率放大器、汽车电子等。从20世纪90年代开始,相关的LTCC产品逐渐得到应用,其推广应用主要归功于航空航天和通信领域的快速发展。其产品种类众多,囊括了滤波器、双工器、巴伦、耦合器、收发开关功能模块、功分器以及共模扼流圈等。


在高密度封装中的应用


1、应用于航空、航天及军事领域


LTCC 技术最先是在航空、航天及军事电子装备中得到应用的。美国罗拉公司的太空系统部门(Space System/LoralInc.)利用 LTCC 的技术研制成卫星控制电路组件。它使用 9 层导体,金属线宽和线间距为 125 μm,生坯材料为杜邦公司的 A951,该产品通过严酷的航天校准试验。美国 Raytheon、Westinghouse 和 Honeywell 等公司都拥有 LTCC 设计与制造技术,并研制出了多种可用于导弹、航空和宇航等电子装置的 LTCC 组件或系统。


2、应用于 MEMS、驱动器和传感器等领域


LTCC 可以通过内埋置电容、电感等形成三维结构,从而大大缩小电路体积。因此,在射频电路的驱动器、高频开关等高性能器件中,三维结构电路得以大量应用,以适应目前对该类电路体积和性能的要求。


3、应用在汽车电子等领域


随着汽车电子技术的发展,现代汽车的控制已开始迈入电子化和信息时代,但是一般的电路系统无法完全安装在驾驶室内,加之许多控制电路又必须与被控制的系统放在一起,置于引擎盖的下方,而一般引擎附近的温度为 130~500 ℃,因此要求电路板必须能够耐受高温、高湿的工作环境,还必须具有很高的工作可靠性。由于 LTCC具有众多优良的特性,在国外已被列为制作汽车电子电路的重要技术。美国通用汽车的子公司 DelcoElectronics 利用 LTCC 技术制作了引擎控制模块,意大利的 Magneti Marelli's Electronics 公司制作了汽车油阀控制模块,其中包括 MOSFET 及功率 MOS 器件集成在内。


功能器件


早期通信产品内的滤波器和双工器多为体积很大的介质滤波器和双工器。GSM和CDMA手机上的滤波器已被声表面滤波器取代或埋入模块基板中,而PHS手机和无绳电话上的滤波器则大多为体积小、价格低、由LTCC制成的LC滤波器,蓝牙和无线网卡则从一开始就选用LC滤波器。


由LTCC制成的滤波器包括带通、高通和低通滤波器三种,频率则从数十MHz直到5.8GHz。LC滤波器在体积、价格和温度稳定性等方面有其无可比拟的优势,其不断受到广泛重视就不难理解了。


由LTCC制作的上述射频器件在国外和我国台湾省已有数年的历史,日本的村田、东光、TDK、双信电机,我国台湾省的华信科技、ACX,韩国的三星等都在批量生产和销售。我国内地在2003年才从展览会和网页上看到,南玻电子公司和另一家公司着手开发类似产品。


模块基板


电子元件的模块化已成为业界不争的事实,其中尤其以LTCC为首选方式。可供选择的模块基板有LTCC、HTCC(高温共烧陶瓷)、传统的PCB如FR4和PTFE(高性能聚四氟已烯)等。HTCC的烧结温度在1500℃以上,与之匹配的难熔金属如钨、钼/锰等导电性能较差,烧结收缩不如LTCC易于控制。LTCC的介电损耗比RF4低一个数量级。PTFE的损耗较低,但绝缘性都较差。LTCC比大多数有机基板材料可更好地控制精度。没有任何有机材料可与LTCC基板的高频性能、尺寸和成本进行综合比较。


国外和我国台湾省对LTCC模块基板的研究可谓如火如荼,已经有多种LTCC模块商业化生产和应用。仅生产手机天线开关模块(简称ASM)的就有村田、三菱电工、京瓷、TDK、Epcos、日立、Avx等十多家。此外还有NEC、村田和爱立信等公司的蓝牙模块、日立等公司的功放模块等等,都是由LTCC工艺制成的。


LTCC模块因其结构紧凑、耐机械冲击和热冲击性强,在军工和航天设备上受到极大关注和广泛应用,今后其在汽车电子上的应用将会非常广泛。


在天线中的应用


1、5G阵列天线


随着5G通信频率的升高,天线和射频模组尺寸会更小、集成度更高。当工作频率≥30 GHz时,天线尺寸将减小至毫米级甚至更小的级别,此时天线的设计方案将由现有的单体天线改为阵列天线,LTCC有望成为5G天线的核心集成技术。


2、超宽带LTCC天线


LTCC的多层贴片结构能够有效拓宽天线的带宽,用以制备相对带宽≥20%的超宽带天线。同时,LTCC 还能够将接收芯片和超宽带天线集成于LTCC模块中,为超大规模集成电路用超宽带收发装置的研制提供单模块设计及制作方案。


3、Wifi/Bluetooth天线


Wifi和蓝牙设备通信距离短,收发功率小,对天线的功率和收发特性要求不高,但对天线占PCB的面积和成本有较高的要求,LTCC技术有望广泛用于Wifi/Bluetooth天线。


4、GPS天线


GPS陶瓷天线分为块状陶瓷天线和多层陶瓷天线,LTCC天线属于多层陶瓷天线。移动通信设备的发展,使得GPS天线向小型化、多频段和抗干扰的方向发展。利用陶瓷材料的高介电常数和高Q值,能够有效减少天线的体积;结合LTCC多层结构的特点,能在尺寸缩小的同时,保持天线带宽和增益不受影响,实现多频GPS天线的设计和制作。


5、多频段LTCC天线


LTCC天线可通过多种技术手段实现天线的多频化,除了在单天线结构中加载可调容感以及加载不同长度枝节的方法之外,常采用多天线结构来设计LTCC多频天线。曲折型天线可通过多层叠层形式,每层天线实现一个谐振频率;螺旋天线可通过不同长度的螺旋线相互缠绕实现多螺旋结构;贴片天线可在不同层之间,采用多个谐振贴片结构,构成多频点谐振。借由LTCC天线结构的这一特征,可设计、制造双频/多频GPS和Wifi天线。


6、RFID天线


LTCC高介电常数、低损耗、性能稳定和易于实现混合集成等特性,可满足RFID微型片式天线的微型化和高增益要求,并具有全向性好、阻抗匹配、读取距离远等优点,使RFID的应用前景更广阔。


7、NFC天线


NFC天线用铁氧体膜片通常采用LTCC技术制备,将多层流延制得的铁氧体生带叠成具有一定厚度的铁氧体膜片。而近年来兴起的贴片式NFC天线,可利用LTCC技术进行层间线圈绕制和多层结构设计,充分利用铁氧体芯片的空间,有效减小天线尺寸。


8、集成化封装天线


封装天线技术是过去20年来为适应系统级无线芯片出现而发展起来的集成天线解决方案,它将天线与射频收发系统集成为一体,构成一个标准的表面贴装器件。LTCC是目前封装天线的主流技术方案,可将天线集成于天线-芯片系统中,使整个系统获得更高的集成度,并提高系统的性能,比如提高增益和展宽带宽。


参考来源:

[1]虞成城等.低温共烧陶瓷技术发展及行业现状分析

[2]张晓辉等.低温共烧陶瓷材料的研究进展

[3]杨邦朝等.低温共烧陶瓷(LTCC)技术新进展

[4]射频百花潭


(中国粉体网编辑整理/山川)

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